过渡金属氮化物对HER的本征电催化活性综述

12月21日发表在EnergyMaterialAdvances上的一篇论文回顾了过渡金属氮化物(TMN)对析氢反应的电催化活性的改进策略。“电催化析氢反应(HER)通过水分解产生大量氢能，而不会产生碳排放，这在太阳能光伏和风能产业中也起着关键作用，”论文作者、材料科学学院副教授孙金峰说。河北科技大学工学院。

“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Ptd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，”Sun说。

“在此，回顾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小平面和具有不饱和配位的各向同性非小平面通过定制具有费米能级附近d带中心的电子结构，有效地加快了TMN的固有活性。与晶体对应物相比，TMN的固有电催化活性可以通过电子显着提高不饱和非晶结构的调制，”孙说。

“但是所需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，非晶非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H2O吸附和更弱的ΔGH*，”Sun说。

“氮空位合成通常需要特殊处理(例如磁控溅射和氮等离子体)。而且，很难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，并且HERTMN的活动。”

“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/Co2N/CF或Mo2N/CeO2@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拉紧。”

“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相当困难，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DGH*更接近于零、强H2O吸附能和低H2O解离能。

“虽然通过电子结构调制提高TMNs的内在活性已经取得了重大突破，但TMNs在商业水电解槽中的规模化应用仍有很大空间，”Sun说。

“未来TMNs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。应继续研究和开发优良的TMNsHER电催化剂，以在工业水分解中大规模应用”