【引言】

? 目前，有高大部分理想的表面催化劑（如Pt）可以在強酸性條件下發揮良好的效果，但是電荷的在堿性溶液中，由于水電解反應動力學緩慢，密度導致Pt-基催化劑的有高HER效率比酸性介質低2-3個數量級。而實際應用中很多時候溶液是表面堿性的，因此，電荷的開發高效、密度不含貴金屬、有高耐用的表面堿性電催化劑對實際應用具有極大的挑戰與迫切性。

? 二硫化鉬（MoS₂）是電荷的一種典型的二維層狀各向異性材料，由于其吸附H (ΔG(H))自由能的密度優化，已成為鉑族金屬的有高一種很有前途的替代品。塊狀MoS₂在酸性溶液中由于活性中心密度低和電輸運性能差，表面其電化學性能不理想。電荷的此外，MoS₂的初始水吸附效率一般較低，OH^-在表面的過度結合導致其在堿性介質中的HER動力學緩慢，抑制了H₂的生成。因此促進MoS₂的水吸附和提高其本征電導率是提高MoS₂基催化劑電催化制氫性能的關鍵。近年來，具有協同促進反應動力學的非均相納米結構因其電子重構而受到越來越多的關注，這種重構的材料的性能遠優于其單組分的對應物。非均相電催化通常涉及從催化劑表面到被吸附物種的電荷轉移，轉移效率主要取決于電催化劑的表面電荷密度。因此，將導電電子供體材料與電子受體MoS₂結合可以產生強的電子重組，有效提升提高雜化材料的內在活性。氮氧化鈮具有類似于VIII族貴金屬的高密度態，優異的導電性和化學穩定性，被認為是最有前途的候選電子給體材料之一。因此，綜合MoS₂和氮氧化鈮的優點，構建具有強電子耦合效應的異質結構材料有望極大地提升其電催化活性。

【成果簡介】

近日，山西大學范修軍教授、山西師范大學張獻明教授（共同通訊作者）等人在ACS Nano上發表了題為“Covalently? Connected? Nb₄N_5-xO_x-MoS₂Heterocatalysts with Desired Electron Density to Boost Hydrogen Evolution”的文章。該研究采用水熱法和化學氣相沉積法（CVD）在N摻雜石墨烯上合成了Nb₄N_5-xO_x-MoS₂異質結構材料。在CVD過程中，MoS₂納米片被蝕刻成小塊，并與Nb₄N_5-xO_x共價連接，形成精細的Nb4N_5-xO_x-MoS₂/NG異質結構，具有豐富的界面和完全暴露的邊緣活性位。Nb4N_5-xO_x-MoS₂/NG異質結構材料具有豐富的電子密度，并且對H和水均表現出良好的化學吸附能力，顯著提高了其內在活性。同時，該異質結構材料和N摻雜石墨烯的化學耦合也有效提升了納米復合材料的結構穩定性，保證了電子的快速轉移的同時進一步促進了催化材料的產氫效率和穩定性。

【圖文導讀】

圖1 Nb₄N_5-xO_x-MoS₂異質材料的合成與表征1

圖2 Nb₄N_5-xO_x-MoS₂異質材料的合成與表征2

圖3

圖4

圖5

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【小結】

? 本文采用水熱法和化學氣相沉積法合成了一種多孔Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG納米復合材料，其中MoS₂納米片被蝕刻并與Nb₄N_5-xO_x共價連接，形成了具有豐富缺陷的精細Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG異質結構。Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG異質結構與NG片之間的化學耦合保證了其導電性和穩定性。Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG納米復合材料在酸性（低η₁₀=39 mV， Tafel斜率為30 mV dec^-1）和堿性（η₁₀=67 mV，Tafel斜率為44 mV dec^-1）介質中具有豐富的活性位點，顯示出優異的穩定性和活性。超高的HER活性是由于Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG復合材料中含有豐富的電子和共價連接的Nb-(N,S)-Mo界面，優化了ΔG(H)，提高了水的吸附性能。因此，本工作對Nb₄N_5-xO_x-MoS₂強電子耦合的探索和理解，為開發低成本、高效、穩定的可再生能源催化劑提供了一個有希望的方向。

文獻鏈接：Covalently? Connected? Nb₄N_5-xO_x-MoS₂Heterocatalysts with Desired Electron Density to Boost Hydrogen Evolution,?2020, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.0c01072.