全球能源生产主要依赖化石燃料，化石燃料的持续使用不仅对环境产生不利影响，而且导致其迅速枯竭。氢能清洁、无污染、能量密度高，是替代传统化石燃料的最佳选择。水电解制氢具有环境友好、操作简便、制氢速度快和纯度高等优点。通常，析氢反应 (HER) 过程涉及电解质和催化剂界面之间的多个途径。由于储量稀缺致使目前最先进的贵金属基电催化应用范围有限。开发高效的非贵金属HER电催化剂是当前的研究热点。

近日，长春理工大学董相廷教授、殷端端老师团队在期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上，发表了最新研究成果“CoN/MoC embedded in nitrogen-doped multi-channel carbon nanofibers as an efficient acidic and alkaline hydrogen evolution reaction electrocatalysts”。研究者通过静电纺丝和高温碳化技术，制备出了一维CoN和MoC纳米颗粒嵌入的N掺杂多孔道碳纳米纤维(CoN/MoC/NMCNFs)（图1）。该催化剂在酸性和碱性条件下均表现出优异的HER电催化性能。

图1：CoN/MoC/NMCNFs电催化剂的制备示意图。

CoN/MoC/NMCNFs的多孔道结构是由PS在高温处理后分解形成的。HR-TEM图进一步显示，该催化剂的多孔道结构使得CoN和MoC纳米颗粒均匀分散。同时，孔径分布曲线显示，CoN/MoC/NMCNFs中存在微孔和介孔结构，有利于提高催化剂的传质效率。

图2： (a) CoN/MoC/NMCNFs、MoC/MCNFs和MoC/CNFs电催化剂的XRD图，(b-d) CoN/MoC/NMCNFs、MoC/MCNFs和MoC/CNFs的SEM图 (插图：直径分布直方图)，(e) CoN/Mo2C/NMCNFs的EDS图，(f) 氮气吸附-解吸等温线曲线(插图：相应的BJH孔径分布图)，(g-i) CoN/Mo2C/NMCNFs的HR-TEM图 (图i中的插图是相应的FFT图)和(j) CoN/Mo2C/NMCNFs的EDS图。

在碱性和酸性电解液中，当电流密度达到10 mA cm-2时，CoN/MoC/NMCNFs电催化剂所需的过电位仅为92.5和199.2 mV，优于MoC/MCNFs和实心MoC/CNF的HER电催化性能。CoN/MoC/NMCNFs电催化剂中CoN和MoC纳米粒子嵌入在多孔道的碳纳米纤维中，避免金属纳米颗粒的聚集；N掺杂多孔道结构可以很好地扩大比表面积，暴露出更多的活性位点，增强电子传输速率和传质能力。

图3：CoN/MoC/NMCNFs在1 M KOH中进行电化学测试：(a) iR校正的LSV曲线，(b)电流密度为10和50 mA cm-2 时的对应电位，(c) Tafel图，(d) EIS图，(e) 样品的Cdl值，(f) CoN/MoC/NMCNF的TOF值，(g) EIS图和(h) CoN/MoC/NMCNFs在不同电位(vs. SCE)下的Bode图，(i) CoN/MoC/NMCNFs/CC经过1000次CV循环之前和之后的LSV曲线(CoN/MoC/NMCNFs催化剂负载在碳布(CC)上(CoN/MoC/NMCNFs/CC)以实现电化学稳定性测试)和(j)CoN/MoC/NMCNFs电化学性能与其他工作的比较。

此外，实验结果和DFT计算结果表明，CoN/MoC无论在酸性还是碱性下均遵循Volmer-Heyrovsky机制，并且过渡态RDS的能量差最低 (酸性中0.47 eV，碱性中0.68 eV)，这证明CoN对MoC具有调控作用，并表揭示CoN和MoC的协同作用对增强 HER 性能的重要性。

图4：在MoC和CoN/MoC表面通过Volmer-Heyrovsky-Rideal路径的示意图：(a)碱性HER和(b)酸性HER；在纯MoC和CoN/MoC表面上通过Volmer-Heyrovsky-Rideal路径的自由能图：(c)碱性HER和(d)酸性HER

长春理工大学在读博士生王丽丽为该项研究成果的第一作者。制备的电催化剂在酸性和碱性电解液中表现出良好的催化性能和稳定性。此项工作为制备高效且稳定的非贵金属基HER电催化剂提供了新的思路。本研究工作同时得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://authors.elsevier.com/c/1h3~O4s9Hw9rq1