高效Mo基电催化剂的制备，用于氢气的释放及水的整体分解

《Journal of Power Sources》：Preparation of a high-efficiency Mo-based electrocatalyst for hydrogen evolution and overall water splitting

高效非贵金属电催化剂的构建策略及其在碱性水电解中的应用研究。通过水热法结合分步煅烧制备氮钴共修饰的Mo2C自支撑电极，系统研究煅烧温度对结构及催化性能的影响。优化电极N-Co/Mo2C@NF650在碱性介质中实现HER过电位65mV（10mA·cm-2）、OER过电位227mV（10mA·cm-2），并保持100小时稳定整体水分解在1.68V。研究证实材料设计策略（掺杂协同作用+自支撑电极结构）可有效提升非贵金属催化活性与稳定性。

　　

袁禾|郭瑞华|岳帅军|张国芳|刘圆圆|孙婷婷

内蒙古科技大学稀土产业学院，包头，014010，中国

摘要

探索高效的非贵金属电催化剂对于通过碱性水电解实现可持续的氢气生产至关重要。本文介绍了一种氮和钴共修饰的碳化钼自支撑电极（N–Co/Mo₂C@NF_x），该电极是通过水热法直接在镍泡沫上制备的，随后经过逐步煅烧处理。系统研究了煅烧温度对电极结构特性和电催化性能的影响。在制备的样品中，优化的N–Co/Mo₂C@NF₆₅₀电极在碱性介质中表现出优异的双功能电催化活性。在10 mA cm^{?2?2₂C@NF₆₅₀的对称电解槽在1.68 V的电池电压下可稳定运行100小时。这种电催化性能的提升与氮和钴的共同修饰以及自支撑电极结构密切相关，这种结构提供了丰富的电化学活性位点，促进了电荷传输，并在长期运行中保持了结构的完整性。本研究展示了通过集成材料调控和电极级设计构建非贵金属碳化物基电催化剂的有效策略，为开发高效且耐用的碱性水电解电催化剂提供了有益的见解。}

引言

随着全球能源需求的持续增长和气候变化问题的日益严重，开发可持续和清洁的替代能源已成为科学和社会的迫切需求[[1], [2], [3], [4], [5]]。氢能作为一种清洁能源载体，具有高能量密度且唯一的燃烧产物是水，被广泛认为是化石燃料的有希望的替代品[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。电解水分解是一种极具前景的绿色氢生产技术，其效率在很大程度上取决于电催化剂的性能[[12], [13], [14]]。氢进化反应（HER）作为水电解的阴极半反应，是整个氢生产效率的关键限制步骤。因此，开发高效、稳定且低成本的HER催化剂具有重要的科学意义和实际应用潜力[[15], [16], [17]]。

目前，商业化的铂基催化剂（如Pt/C）仍然是最有效的氢进化反应（HER）催化剂，因为它们的过电位接近热力学平衡，并且具有优异的反应动力学[[18,19]]。然而，铂的稀缺性和高成本严重限制了其大规模工业应用[[20], [21], [22]]。因此，人们投入了大量努力来开发非贵金属催化剂——如过渡金属碳化物[23,24]、硫化物[25,26]、磷化物[27,28]、氧化物[29,30]和合金[31]——作为传统铂基材料的潜在替代品。在许多非贵金属催化剂中，碳化钼（Mo₂C）因其类似铂的电子结构和优异的HER活性而受到了广泛关注[[23,32,33]]。尽管Mo₂C在碱性介质中表现出良好的催化性能，但其内在活性仍需进一步提高以满足实际应用需求。引入过渡金属掺杂剂（如Co、Ni、Fe）已被证明是一种有效的方法，可以优化Mo₂C的电子结构，从而提高其催化性能[[33], [34], [35]]。掺杂元素与Mo₂C之间的协同作用可以调节氢中间体的结合能（H?），降低反应能量障碍，并增加参与催化过程的活性位点数量[[36], [37], [38], [39]]。此外，催化剂的形态和支撑材料的性质对整体催化行为也有显著影响。具有高比表面积的多孔结构可以暴露更多的活性位点，而导电支撑材料（如碳纳米管、石墨烯和氮掺杂碳材料）则有助于快速电子传输[[40], [41], [42], [43]]。值得注意的是，氮掺杂碳材料不仅具有优异的导电性，还能通过氮原子与金属物种之间的强相互作用稳定金属活性中心。这种相互作用可以进一步调整局部电子环境，最终提高整体催化效率[[39,44,45]]。

基于这些考虑，我们通过水热法制备了氮和钴共修饰的碳化钼自支撑电极（N–Co/Mo₂C@NF_x），并进行了逐步煅烧处理。通过系统地改变煅烧温度（550°C、650°C和750°C），研究了热处理对相组成、微观结构、电子结构和电催化性能的影响。实验结果表明，氮掺杂剂和钴物种的共同引入以及集成电极结构与电催化活性的提升密切相关。优化的N–Co/Mo₂C@NF₆₅₀电极在10 mA cm^?2

实验试剂

盐酸（HCl，37%）和2-甲基咪唑（C₄H₆N₂，98%）购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中国）。丙酮（C₃H₆O，分析级）、乙醇（C₂H₅OH，分析级）和氢氧化钾（KOH，分析级）由Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.（北京，中国）提供。铂碳催化剂（Pt/C，20%）来自上海Hesen Electric Co., Ltd。七钼酸铵四水合物（(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O，分析级）

催化剂形态和结构的分析

使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对制备样品的形态和微观结构进行了表征。如图2a、b所示，SEM图像显示镍泡沫支架均匀覆盖了最终产物，形成了由纳米粒子堆积而成的花状结构。与直接附着在镍泡沫上的纳米粒子相比，N-Co/Mo₂C@NF₆₅₀表面形成的花状结构

结论

总之，通过水热法结合逐步煅烧成功制备了一种氮和钴共修饰的碳化钼自支撑电极（N–Co/Mo₂C@NF_x），并系统研究了煅烧温度对结构演变和电催化性能的影响。在研究的样品中，优化的N–Co/Mo₂C@NF650电极在碱性介质中表现出优异的电催化活性，实现了

CRediT作者贡献声明

袁禾：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据分析、数据整理。郭瑞华：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。岳帅军：监督、资源协调、项目管理。张国芳：撰写——审阅与编辑、研究。刘圆圆：撰写——审阅与编辑、验证。孙婷婷：撰写——审阅与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：51864040）、内蒙古自治区科技计划（编号：2025YFHH0050；2021GG0042）和内蒙古自治区高等教育青年科技优秀人才计划（编号：NJYT22064）的支持。