过渡金属氮化物对HER的本征电催化活性综述

他们于 12 月 21日在Energy Material Advances 上发表了他们的工作。

“电催化析氢反应 (HER) 通过分解水产生可观的氢能，而不会产生碳排放，这在太阳能光伏和风力发电行业也发挥着关键作用。” 论文作者、河北科技大学材料科学与工程学院副教授孙金峰说。“TMNs 被认为是类 Pt 电子结构的类 Pt 电催化剂，具有高电子电导率、强化学稳定性和出色的 HER 电催化活性。”

Sun 解释说，TMN 作为 Pt 基 HER 电催化剂的替代品具有几个显着优势，特别是高金属电导率、耐腐蚀性和类 Pt d 带结构，这些都是固有 HER 活性的原因。

“虽然已经发现一些 TMN 的电催化性能比原始过渡金属和其他过渡金属化合物更有效，但作为有前途的 Pt 候选物，TMN 的电催化活性仍有很大的改进空间。” 孙说。“在此，综述了最近通过电子结构调制提高 TMN 催化剂对 HER 的本征电催化活性的策略，例如小平面、合金化、掺杂、空位、异质结构以及杂化。”

“具有高能量的各向异性面和具有不饱和配位的各向同性非面通过定制具有费米能级附近 d 能带中心的电子结构，有效地加快了 TMNs 的内在活性。与结晶对应物相比，不饱和非晶结构的电子调制可以显着提高 TMN 的固有电催化活性。孙说。“但是所需晶面的控制合成和确切的不饱和度以及不饱和位点位置的调节非常困难。此外，非晶面结构的原子构型难以确定，难以揭示 HER 机制。”

Sun表示，掺杂原子的电子密度是影响TMNs电化学活性的主要因素。与其他金属相比，d 带电子密度相对较低的异质掺杂金属(例如 V 或 Nb)是提高本征活性的最有效策略。该策略受限于掺杂原子的异质分布，这使得模型构建和反应机理难以探索。

“价态较低的 Ni 的电子密度更高，在费米能级附近重新分布，导致更高的电导率、更强的 H 2 O 吸附和更弱的 Δ G H*。” 孙说。“氮空位合成通常需要特殊处理(例如，磁控管溅射和氮等离子体)。此外，难以控制氮空位的均匀分布。此外，大量的空位会导致严重的晶格畸变，以及 TMN 的 HER 活性差。”

“直接连接组分的电负性和晶格匹配度对异质结构催化剂的电化学活性起着至关重要的作用。” 林说。“电负性和晶体结构差异很大的两种组分(例如，Co/Co 2 N/CF 或 Mo 2 N/CeO 2 @NF)导致更明显的电催化性能，以实现更快的反应动力学、更高的电子转移能力和更强的晶格应变等” 而“然而，异质结构合成的复杂序列处理限制了其大规模应用。此外，异质结构中更多的纳米界面构建是相当困难的，这限制了对异质结构优点的充分探索。”

杂交策略是高效 HER 电催化剂的一种常用方法，无需精细处理即可轻松合成。由于电负性的巨大差异有利于 TMN 和杂交组分之间的电子转移，因此提高了 HER 动力学。Sun表示，通过均匀分布的杂交来控制精确调控是相当困难的。并且非直接接触组分之间的电子转移是不确定的。这使得电催化机理说明变得复杂。

Lin 说，在仔细研究了由六种策略调制的研究后，合金化和异质结构 TMN 因其高本征活性而得到最广泛的探索，许多 TMN 异质结构尤其显示出极低的过电势和 Tafel 斜率。TMN的异质结构导致D G H*更接近于零，H 2 O吸附能强，H 2 O解离能低。

“虽然通过电子结构调制提高TMNs内在活性已经取得重大突破，但TMNs在商用水电解槽中的规模化应用仍有很大空间。” 孙说。“建议TMNs未来的发展重点是开发简便的合成方法，阐明调控机制和催化机制，提高活性和稳定性。” 并且“应继续研究和开发优秀的 TMN 电催化剂，以在 HER 上实现工业水分解的可扩展应用。”

其他贡献者包括河北科技大学材料科学与工程学院的 Han-Ming Zhang、Jian-Jiang Wang、Yongqiang Meng 和 Jinfeng Sun;Fushen Lu 和 Muwei Ji，汕头大学化学化工学院;朱彩珍、徐健，深圳大学化学与环境工程学院低维材料基因组研究所。