Advanced Functional Materials:新型二维过渡金属碳化物:用于全解水和氧还原的高性能电催化剂

电催化剂在可再生能源的转化和储存中发挥着越来越重要的作用,包括水分解、金属空气电池以及燃料电池,其涉及析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)。因此,寻找高效、稳定且廉价的电催化剂是可再生能源的关键。然而,目前这些反应的催化剂通常是昂贵的贵金属或其氧化物,如Pt(用于HER和ORR),RuO2和IrO2(用于OER);此外,OER和ORR为具有线性比例关系的多步质子和电子转移反应,动力学过程缓慢,且往往需要在高过电位下进行。这些都严重阻碍了现有催化剂的应用。开发非贵金属基、高效、耐用的电催化剂具有十分重要的意义和紧迫性。

MXene基二维材料具有大的比表面积、良好的导电性和耐酸稳定性,在催化领域展现出越来越大的应用潜能。然而,实验中MXenes表面存在大量悬挂键,容易被一些T基团(T = OH, F, O)官能化,且这些表面官能团不易精确控制。这不仅会导致MXenes的电导率降低,而且会极大地限制OER / ORR中间体(*O,*OH和*OOH)在其表面的吸附强度,影响其催化性能。为此,研究者提出一种新的改性MXenes策略:增加C含量,使C原子以二聚体的形式暴露在表面,而过渡金属原子被C二聚体保护在内部,从而避免其表面官能化,提高稳定性,并调节电子结构,其分子式为MC2

北京航空航天大学材料学院博士生于亚东、周健教授和孙志梅教授采用无偏结构搜索并结合第一性原理计算,发现了一种新型NbC2二维材料,并对该类二维过渡金属碳化物MC2 (M为过渡金属Ti、V、Nb、Ta、Mo,C为碳)的电催化性能进行了系统、深入的研究。这类材料具有优异的稳定性和导电性,在催化过程中可以实现快速的电荷转移,有望成为可替代型多功能高效电催化剂。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202000570)上。

在新型MC2二维材料中,对于HER反应,在Volmer-Heyrovsky反应机制下,NbC2、TaC2和MoC2具有优异的HER催化活性。在OER和ORR反应中,通过实现双活性位点机制,打破了传统线性相关的单活性位点机制的相互制约作用,相对独立地优化催化活性中心,极大地降低了催化反应的过电位。其中MoC2具有最佳的OER催化性能,TaC2和MoC2表现出良好的ORR催化性能。综上所述,NbC2可作为一种优异的HER催化剂,TaC2有望成为有前景的HER/ORR双功能电催化剂,MoC2可望用作多功能电催化剂,用于全解水(HER和OER)和ORR催化反应。这些结果为新型二维材料在高效、低成本电催化剂的开发中提供了新思路。