​Carbon Energy：MoOx@N/S掺杂石墨烯异质结构在酸性介质中实现高效析氢

不断增加对煤炭产生的能源的需求是导致全球变暖的主要因素，预计在2020-2030年将导致全球38%的二氧化碳排放，这一环境问题引发了对可再生和可持续能源的研究。其中，由电化学反应生成的氢气(H₂)目前最有希望作为能量载体和燃料，因为其具有较高的理论能量密度(120 MJ kg^-1)并且燃烧产物无污染。

迄今为止，铂(Pt)一直被认为是电化学析氢反应(HER)中最高效的催化剂，然而其高成本以及在电化学环境中较差的稳定性，限制了其实际应用。Pt的这些缺点也促进了替代催化剂的研究，如掺杂单原子或多原子的石墨烯、金属磷化物、过渡金属氧化物(TMO)及其异质结构等。

基于目前的研究，韩国工业技术研究院Chisung Ahn、成均馆大学Byungkwon Lim和Taesung Kim(等人)等人通过将具有优异催化性能的钼氧化物(MoO_x)层与碳基薄膜进行结合，有效的提升了催化剂的产氢性能和稳定性。

本文以0.5 M H₂SO₄作为电解质，并通过三电极体系评估了NSGr@MoO_x的电化学活性。测试结果表明，在电流密度为-10 mA cm^-2时，NSGr@MoOx的初始过电位(η)为359 mV，比NSGr低70 mV。

极化曲线还清楚地表明，尽管施加了-0.5 V的高电压，石墨烯和MoO_x在相同条件下并没有表现出优异的HER活性，这归因于MoO_x在酸性电解质介质中的快速氧化，催化剂活性的差异恰恰表明了表面NSGr是活性位点的主要来源。之后，本文还采用公式计算了催化剂的Tafel斜率，以确定催化剂HER的电化学反应速率与施加的电势之间的关系。

计算结果表明，NSGr@MoO_x异质结构的反应动力学得到了显著的改善，NSGr@MoO_x的Tafel斜率相对较低(106.8 mV dec^-1)，低于NSGr(140.2 mV dec^-1)、石墨烯(185.5 mV dec^-1)和MoO_x(186.9 mV dec^-1)，这些结果与前面的测试结果保持一致。

更重要的，电化学阻抗测试表明，与MoO_x、NSGr和石墨烯相比，NSGr@MoO_x的电荷转移电阻更低，这再次证明了NSGr@MoO_x具有更优异的HER催化性能。结合测试结果可以认为，NSGr@MoO_x优异的催化性能归因于上、下两种材料界面上共掺杂原子的协同作用，使得催化剂具有更多的活性位点，进而显著提高了催化剂的催化性能。

之后，基于拉曼光谱以及X射线光电子能谱，本文得出了发生在NSGr@MoO_x上的HER机理：纯石墨烯结构中的缺陷阻止了H⁺离子的吸附，因此未被吸附的H⁺离子仅与石墨烯表面的电子耦合产生H₂。在这种情况下，MoO_x材料除了把它从玻碳电极接收到的电子转移到石墨烯之外没有其他作用。

然而，对于NSGr@MoO_x，由于这些N原子和S原子的存在，石墨烯表面出现了缺陷。由于这些缺陷，H⁺离子吸附在石墨烯表面(根据拉曼光谱的高I_D’/I_G比值)，并转移到MoO_x。同时，吸附的H⁺离子与MoO_x上的电子耦合并促进产氢。因此，NSGr@MoO_x异质结构的协同作用导致了比NSGr和MoO_x更优异的HER性能。

此外，石墨烯/MoO_x结构中较多的活性位点，提高了石墨烯表面保护层的稳定性和异质结构的电化学活性表面积，从而提高了催化剂的HER活性。总之，本文的方法为制备用于HER和其他催化应用的协同异质结构催化剂提供了一个重要的途径。

A study of highly activated hydrogen evolution reaction performance in acidic media by 2D heterostructure of N and S doped graphene on MoO_x, Carbon Energy, 2023, DOI: 10.1002/cey2.340.

https://doi.org/10.1002/cey2.340.