초고속 셀프 | 광저우 티타늄 유한 공사

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3338(2022) 이 기사 인용

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물을 전기분해하기 위한 비용 효율적이고 효율이 높은 촉매를 설계하는 것은 수소를 생산하는 효과적인 방법입니다. 실제 적용에는 높은 전류 밀도(≥1000mA cm−2)에서 작동하는 매우 활성적이고 안정적인 수소 발생 반응 촉매가 필요합니다. 그러나 이러한 촉매의 촉매 활성과 계면 안정성을 동시에 향상시키는 것은 어렵습니다. 본 논문에서는 초고속 가열 및 냉각을 통해 고효율 Mo2C/MoC/탄소나노튜브 수소 발생 반응 촉매를 합성하기 위한 신속하고 에너지 절약적이며 자체 발열 방법을 보고한다. 실험과 밀도 범함수 이론 계산을 통해 수많은 Mo2C/MoC 헤테로 인터페이스가 적당한 수소 흡착 자유 에너지 ΔGH*(0.02eV)와 Mo2C/MoC 촉매와 탄소 나노튜브 히터/전극 사이의 강력한 화학적 결합을 갖춘 풍부한 활성 사이트를 제공한다는 사실이 밝혀졌습니다. 순간적인 고온으로 인해 기계적 안정성이 대폭 향상됩니다. 그 결과, Mo2C/MoC/탄소나노튜브 촉매는 1 M KOH에서 1000 및 1500 mA cm-2에서 각각 233 및 255 mV의 낮은 과전위를 달성하였으며, 1000 mA cm-에서 작업한 후 과전위는 약간의 변화만을 나타냈습니다. 2는 14일 동안 고전류밀도 수소 발생 반응 촉매의 우수한 활성과 안정성을 시사한다. 우리 촉매의 유망한 활성, 탁월한 안정성 및 높은 생산성은 다양한 응용 분야에서 수소 생산 요구를 충족할 수 있습니다.

전반적인 물 분해를 포함하는 수소 발생 반응(HER)은 수소 생산을 위한 유망한 접근 방식으로 간주되어 왔습니다1. 촉매 활성과 안정성은 고효율 HER 촉매의 중요한 기준입니다. 산업 응용 분야에서 HER 촉매는 장기간(≥300h)2에 걸쳐 높은 전류 밀도(예: ≥ 500 또는 1000mA cm−2)에서 전극에서 매우 활성적이고 안정적이어야 합니다. Pt는 일반적으로 HER에 사용되지만 높은 가격과 희소성으로 인해 제한적이므로 Pt에 필적하는 HER 활성을 갖는 Pt계 금속이 없는 촉매가 광범위하게 연구되었습니다. 그러나 고전류 밀도 HER를 위한 고효율 및 Pt계 금속이 없는 HER 촉매 전극의 개발은 전극의 높은 화학적 활성, 높은 화학적 안정성 및 높은 기계적 안정성이 동시에 필요하기 때문에 어렵습니다. 최근에는 이종 원자 도핑3,4,5, 복합 시너지6,7,8,9,10, 형태 공학11,12 및 변형 공학13을 통해 고전류 밀도에서 HER 촉매의 높은 활성이 보고되었습니다. 그럼에도 불구하고, 활성이 높은 많은 HER 촉매는 일반적으로 낮은 화학적 안정성을 나타내며, 다량의 H2 기포가 방출되는 동안 활성 부위가 겪는 큰 기계적 힘은 전극에서 촉매를 지속적으로 박리시켜 고전류에서 기계적 안정성을 유지하기 어렵게 만듭니다. 밀도14,15,16.

HER 촉매의 활성에 영향을 주지 않고 화학적 안정성과 기계적 안정성을 동시에 향상시키는 것은 어렵습니다. 화학적 안정성을 향상시키기 위해 Mo2C17, MoS218,19, MoS2/Ni3S29 및 Cr1-xMoxB220과 같은 화학적으로 안정한 Pt 그룹 금속이 없는 촉매가 연구되었습니다. 기계적 안정성을 높이기 위해 견고한 촉매 전극을 직접 사용하거나 바인더를 사용하여 촉매와 전극 사이의 접착력을 강화했습니다. 더욱이, 전극의 특정 채널이나 초호기성 구조는 기포의 방출을 촉진하여 촉매에서 생성되는 기계적 힘을 줄이도록 설계되었습니다. 그러나 안정성을 향상시키기 위한 이러한 접근 방식은 HER 촉매의 화학적 활성을 약화시킬 수 있습니다. 예를 들어 추가 바인더는 활성 사이트의 노출을 방해하고 전체 활동을 감소시킵니다. 따라서 HER 촉매의 안정성을 본질적으로 향상시키는 동시에 높은 활성을 유지하는 새로운 방법의 개발은 높은 전류 밀도에서의 응용에 매우 중요합니다.

350, and >500 mV at 1000 mA cm−2, respectively. Compared to the Mo2C/CNT film, the MoC/CNT film, and especially the physically mixed Mo2C/MoC/CNT film (m-Mo2C/MoC/CNT film, Supplementary Fig. 19), the superiority of the Mo2C/MoC/CNT film made by self-heating suggests the importance of the Mo2C/MoC interface, where Mo is more conducive to the adsorption and desorption of H* via interfacial charge transfer33. Otherwise, either strong adsorption or strong desorption of H* weaken the activity of HER, leading to the lower electrochemical activity of the MoC/CNT and Mo2C/CNT films, respectively. To investigate the kinetics, Tafel slopes were calculated from the polarization curves (Supplementary Fig. 20). The Tafel slope of the Mo2C/MoC/CNT film is 42 mV dec−1, which is smaller than that of the Mo2C/CNT film (50 mV dec−1), MoC/CNT film (58 mV dec−1), and is close to that of Pt/C (31 mV dec−1), indicating that HER is based on the Volmer-Heyrovsky mechanism. As the kinetic activity is affected by the electrochemical surface area (ECSA) and charge transfer resistance, we measured the electrochemical double-layer capacitances (Cdl) of various electrodes, which were proportional to the ECSAs, and charge transfer resistances. As shown in Supplementary Figs. 21 and 22, the Mo2C/MoC/CNT film exhibits a high Cdl of 119.9 mF cm−2 and a small charge transfer resistance of ~3.2 Ω, suggesting an evident advantage compared to the Mo2C/CNT (83.5 mF cm−2 and ~4.5 Ω) and MoC/CNT (66.0 mF cm−2 and ~6.9 Ω) films. The polarization curves of the three kinds of films normalized to the ECSA and the mass of active materials are shown in Supplementary Fig. 23 (Cs is set to be 40 μF cm−2), which demonstrate that the activity of Mo2C/MoC/CNT film does increase intrinsically compared with those of Mo2C/CNT film and MoC/CNT film. For Cdl, the measurement error includes systematic errors (0.01% for voltage application and 0.2% for current detection) and random error (~5%), which is negligible. For Cs, as the actual value cannot be determined precisely in this work. Cs for a flat surface is generally found to be in a range of 20–60 μF cm−2, and the value of 40 μF cm−2 is used in this work to calculate the ECSA. The actual value of Cs could be very different from the used value and thus an error may be introduced in the absolute value of ECSA. However, the relative values of the ECSA for the materials reported in this work are not affected by the absolute errors because the Mo2C/MoC/CNT film, Mo2C/CNT film, and MoC/CNT film are prepared on the same supporting material, the CNT films. The Cs values for all these materials should be nearly identical in principle, and thus the calculated ECSAs can be compared relatively. Moreover, we also evaluated the turnover frequency (TOF) of each catalyst film (Supplementary Fig. 24). At an overpotential of 250 mV, the TOF of Mo2C/MoC/CNT film, Mo2C/CNT film, and MoC/CNT film is 0.65, 0.30, and 0.22 s−1, respectively, which validates that Mo2C/MoC/CNT catalyst has higher intrinsic activity besides the larger ECSA. The increase of the intrinsic activity should be attributed to the increase in the number of Mo2C/MoC interfaces./p>