加注过渡金属助剂的V2CO2(MXenes):一种新型高效的析氢反应催化剂

advs化石燃料的使用,一方面,由于燃料燃烧产生的有害气体,会引起一系列的环境问题;另一方面,由于化石燃料的不可再生性,化石燃料的大量使用会导致未来的能源危机,从而使得人类社会的发展变得不可持续,因此,寻找可再生的清洁能源成为了一项迫在眉睫的任务。氢气由于具有很高的能量密度,加上其燃烧的最终产物是无污染的水,因此成为了清洁能源最佳的选择之一。通过电解水制取氢气,被视为获取氢气的最佳途径,在这个过程中,催化剂扮演着至关重要的角色。目前,贵金属铂(Pt)是最好的析氢反应电催化剂,但是因为其高昂的成本而难以商业化应用。因此,近些年来,寻找和设计高效的析氢反应催化剂来代替Pt是当前能源领域的研究热点。

最近,东南大学王金兰教授及其团队利用第一性原理计算方法,设计了一种新型高效的析氢反应催化剂:加注过渡金属助剂的V2CO2(MXenes)。王金兰团队发现,纯V2CO2对氢的吸附很强,导致H2脱附过程很难进行,因此V2CO2并不是一个理想的析氢反应催化剂。但是在V2CO2表面引入过渡金属助剂时,过渡金属会给V2CO2表面氧原子提供额外的电子,这样,当H在V2CO2表面与O成键时,反键轨道的电子数就会增大,导致H-O键变弱,从而提高了V2CO2的催化性能。并且,通过控制助剂原子的种类和覆盖度,可以实现对表面氧原子催化性能的任意调控,使得V2CO2的氢吸附的自由能(ΔGH)达到最优值 0 eV,因此使得加注过渡金属助剂的V2CO2具有与Pt相当甚至比Pt更好的性能。此外,加注过渡金属助剂的V2CO2具有很高的热稳定性。该工作不仅为析氢反应提供了一种可能的高效电催化剂,更为重要的是,为MXenes这类材料的应用提供了一种新的可能。相关研究成果近期在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201600180)。

相关工作得到了国家自然科学基金,教育部博士点基金以及江苏省自然科学基金的资助。

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