金彦烁/孟辉教授/孙学良院士AEnM：相分离Mo-Ni合金实现高效氢氧化

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文章信息

高活性高稳定性相分离Mo-Ni合金用于氢氧化和析氢反应

第一作者：宋吉东

通讯作者：金彦烁，孟辉，孙学良

单位：暨南大学，加拿大西安大略大学

研究背景

氢电极主要由两种反应组成：电解水制氢中的析氢反应（HER）和氢燃料电池中的氢氧化反应（HOR）。为了实现未来的氢能经济性，必须开发低成本、高性能的HER和HOR双功能电催化剂。非贵金属催化剂由于在地球含量丰富，成本低廉，受到研究者们日益增长的青睐，被认为是一种有广阔前景的催化剂。

镍基材料是氢反应的经典催化材料，但镍易氧化（0.1V)，有必要开发具有基于其他元素活性位点的电催化剂。Mo比Ni更耐电化学氧化。但是，Mo（-0.37eV）的ΔGH*小于Ni（-0.27eV），这将导致强烈的氢吸附，因此如何调节Mo的ΔGH*成为关键问题。相关研究表明，钼镍合金中存在电子在不同组分之间转移，产生协同效用，然后调节催化剂的ΔGH*，从而提高催化剂活性。传统的钼镍金属互化物合金材料（IC-MoNi）具有优异的电化学活性，但在电极反应中不稳定，击穿电位低，导致电化学稳定性差。

相分离合金与金属间互化物合金不同。相分离Mo-Ni合金（PS-MoNi）由相分离的金属Mo相和金属Ni相构成。由于Mo金属相具有高击穿电位，PS-MoNi比IC-MoNi更具的结构稳定性和电化学稳定性。对于PS-MoNi，通过嵌入Ni金属纳米颗粒来调节Mo金属的电子密度，优化氢吸附能，这类似于IC-MoNi。此外，非晶态材料更耐腐蚀。因此，非晶态PS-MoNi是高活性和高稳定性的HOR和HER的良好催化材料。

文章简介

近日，暨南大学金彦烁、孟辉教授与加拿大西安大略大学孙学良教授课题组在国际著名期刊Advanced Energy Materials（影响因子：25.245）上发表题为“Phase-separated Mo-Ni alloy for hydrogen oxidation and evolution reactions with high activity and enhanced stability”的学术论文。

本文介绍了一种相分离的钼镍合金，由相分离的金属Mo相和金属Ni相构成（PS-MoNi）。PS-MoNi在宽电化学窗口下显示出优异的析氢及氢氧化反应活性。

此外，非晶相分离的钼镍合金（PS-MoNi）比金属间化合物钼镍合金（IC-MoNi）更具结构稳定性和电化学稳定性，PS-MoNi的氧化击穿电位达到了0.32 V，远高于报道的IC-MoNi。

同步辐射测试和密度泛函理论(DFT)计算表明，在PS-MoNi中，电子从金属钼转移到镍，导致钼表面氢吸附自由能(ΔGH*)的优化，从而实现了高效的氢反应。这意味着通过嵌入镍金属纳米粒子对钼金属的电子密度调控可以产生优异的HOR和HER性能。

本文要点

要点一：利用同步辐射技术表征金属相Mo的存在形式，并结合电荷密度理论计算证实钼金属失去电子的现象。

图一. （a）PS-MoNi，Mo金属和MoO2的Mo K边缘X射线近边吸收光谱 。（b）PS-MoNi，Mo金属和MoO2的Mo K边缘扩展的X射线吸收精细结构谱图。（c）PS-MoNi，Mo金属和MoO2的Mo K边缘放大的X射线近边吸收光谱。（d-f）对PS-MoNi，Mo 金属和MoO2的Mo K边缘扩展的X射线吸收精细结构信号进行小波变换。（g）PS-MoNi和Mo金属的Mo K边缘扩展的X射线吸收精细结构谱图的一阶导数。（h）PS-MoNi和Mo金属的电子密度。

要点二：利用同步辐射技术表征金属相Ni的存在形式，利用透射电镜展示材料的非晶态形貌。

图二. （a）PS-MoNi，Ni金属和NiO的Ni K边缘X射线近边吸收光谱 。（b）PS-MoNi，Ni金属和NiO的Ni K边缘扩展的X射线吸收精细结构谱图。（c）PS-MoNi的高分辨透射电镜。（d-f）对PS-MoNi，Ni金属和NiO的Ni K边缘扩展的X射线吸收精细结构信号进行小波变换。

要点三：结合理论计算说明电荷转移对Mo活性位点氢吸附能的优化，展示PS-MoNi优异的析氢活性与稳定性。

图三. （a）PS-MoNi的结构优化模型。（b）氢在Mo金属，Ni金属和PS-MoNi上的吸附自由能（ΔGH *）。（c）在25℃、1 M KOH溶液中，扫描速率为1 mV s-1，测得PS-MoNi@NF、IC-MoNi@NF、Ni@NF、NF和Pt/C@NF析氢反应的LSV曲线。（d）1 M KOH溶液中PS-MoNi@NF析氢反应的计时电压曲线。

要点四：展示PS-MoNi的高氧化击穿电位以及优异的氢氧化活性与稳定性。

图四. （a）在25℃、0.1 M KOH溶液中，扫描率为1 mV s-1, PS-MoNi@NF、IC-MoNi@NF、Ni@NF、NF的LSV曲线。（b）分别在H2饱和与Ar饱和的0.1 M KOH中记录的PS-MoNi@NF的稳态极化曲线。（c）在H2饱和的0.1 M KOH溶液中记录的PS-MoNi@ NF，IC-MoNi@NF，Ni@NF，NF和Pt/C@NF的稳态极化曲线。（d）恒电位0.1V时PS-MoNi@NF和IC-MoNi@NF氢氧化反应的计时电流曲线。

结论

与IC-MoNi相比，PS-MoNi在氢电极反应中具有出色的活性和稳定性。因为活性位点是Mo，PS-MoNi的氧化击穿电势高达0.32V，比IC-MoNi或Ni基金属更耐电化学氧化。这意味着，PS-MoNi可以提高APEFC的功率输出和应用潜力。本项工作为设计合适的HOR、HER催化剂提供了一个简便的策略。

文章链接

Phase‐Separated Mo–Ni Alloy for Hydrogen Oxidation and Evolution Reactions with High Activity and Enhanced Stability

https://doi.org/10.1002/aenm.202003511

通讯作者介绍

金彦烁，2018年作为引进人才加入暨南大学，以第一作者或通讯作者在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Energy Letters，ACS Catalysis等国际权威杂志上发表论文。

指导本科生以第一作者发表一区论文4篇，并获得 “挑战杯”广东省赛三等奖和暨南大学校赛一等奖、广东省材料创新大赛无机非金属材料赛区一等奖和总决赛二等奖等奖项。

孟辉，暨南大学理工学院教授。

中山大学材料物理与化学专业博士。先后在加拿大国家科学研究院、美国布鲁克海文国家实验室从事研究工作。先后任教于华南理工大学和中山大学。获得2013年国家自然科学奖二等奖、2011年广东省自然科学奖一等奖、2013年广州市珠江科技新星、2014年暨南杰青、2016年中国分析测试协会科学技术奖一等奖。主要研究方向包括：新能源与环保材料和器件。

孙学良教授，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。

孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编和Frontier of Energy Storage的副主编。

课题组招聘介绍

暨南大学创立于1906年，是中国第一所由政府创办的华侨学府，是国务院侨办、教育部、广东省共建的“211工程”重点综合性大学。学校入选国家“双一流”建设高校和广东省高水平大学重点建设高校。现向海内外公开招聘有关专业的年轻教师和博士后。

欢迎有志于高等教育和科研事业的人才前来应聘。一、招聘专业范围燃料电池，锂离子电池，钠离子电池，锂空气电池，锌空气电池，析氢析氧催化剂，及其他电催化方向。二、招聘条件1. 本科专业为物理、材料，且对本科学校有一定要求。2. 具有博士学位，有海外经历更佳。3. 以第一作者发表SCI一区论文至少5篇（必须满足），最好至少有一篇IF大于10的论文。（此为第四层次人才条件，博后可放宽）4.具体条件参考学校对高层次人才（前五个层次）的规定（https://gccgl.jnu.edu.cn/jnuzpf/）。三、招聘时间和材料 从即日起接受应聘材料，有意申请者请将个人简历（含出生年月、籍贯、国籍、婚姻状况、照片、教育背景、教学科研情况介绍、发表论文目录及获奖成果清单）、未来五年的教学和科研工作设想等发送至[e-mail]。四、引进人才待遇按照学校相关规定。五、联系方式联系人：孟辉  E-mail: [e-mail]地址：广州市黄埔大道西601号暨南大学（510632）

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