氮化金属电催化剂已被广泛用于高效碱性水分离，但如何提高其稳定性仍是一个巨大挑战，尤其是在超过500 mA cm-2高电流密度条件下。
2025年2月16日，南开大学陈闪山团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Vertically Arrayed Co₄N/MoN Nanosheets for Robust Alkaline Electrocatalytic Hydrogen Evolution at Ampere-Level Current Density”的研究论文，团队成员Li Can为论文第一作者，河南大学刘太丰、陈闪山、中国科学院大连化学物理研究所章福祥为论文共同通讯作者。
该研究采用一种简便的电沉积-氮化方法制备了具有分层纳米颗粒组装纳米片阵列的Co4N/MoN电催化剂，用于碱性析氢反应（HER）。结果表明，该催化剂在1.0 A cm-2的过电位为238 mV，耐久性超过100 h，是目前已报道的钴基氮化物电催化剂中在安培级电流密度下具有优异析氢活性和稳定性的最佳催化剂。优异的本征HER活性主要归功于Co4N和MoN的协同效应，它们能有效降低H2O离解能垒，加速碱性HER动力学。此外，得益于垂直排列的纳米片结构具有坚实的框架和优异的机械强度，即使在安培级电流密度下也能实现稳健的水电解。这项工作为通过制造分层异质结构开发金属氮化物电催化剂提供了另一种途径，从而实现高效稳定的工业水分离。
该研究介绍了一种分层Co4N/MoN纳米粒子组装的纳米片状电催化剂，该催化剂采用简便的电沉积-氮化方法制备，在1.0 A cm-2的条件下表现出非凡的碱性HER活性和超过100 h的稳定性，在100 mA cm-2和1.0 A cm-2条件下的超低过电位分别为83和238 mV。这种出色的HER性能可归因于卓越的内在活性和稳健的分层结构。具体来说，Co4N/MoN催化剂优异的本征HER活性归功于Co4N和MoN之间的协同效应，它能有效降低H2O离解能垒并加速碱性HER动力学。催化剂在安培级电流密度下的稳健性主要归功于其分层阵列的结构特征，即具有相当高的机械强度和足够的反应物和产物快速交换空间。
图1.Co4N/MoN复合材料的制备过程示意图。
图2. Co4N/MoN纳米复合材料的a）XRD图，b）SEM图像，c,d）HRTEM图像。
图3. 1.0 M KOH电解液中的电化学性能测试。a）电流密度范围为0-1.0 A cm-2时，扫描速率为1 mV s-1时90% iR补偿的极化曲线；Co4N/MoN、Co4N、MoN和Pt/C样品的b）10 mA cm-2、100 mA cm-2和1.0 A cm-2时的过电位和c）Tafel图。d）Co4N/MoN样品在50和100 mA cm-2的恒定电流密度下的计时电位曲线，iR补偿为90%。e）Co4N/MoN样品在0.5和1.0 A cm-2恒定电流密度和90%iR补偿条件下的计时电位曲线。本研究中的所有电位均转换为可逆氢电极（RHE）。
图4.a）Co4N、MoN和Co4N/MoN样品的氮吸附和解吸等温线。b）Co4N/MoN、Co4N、MoN和Pt/C样品的∆J与扫描速率的关系图。在该研究的案例中，Co4N/MoN催化剂的电容行为（Cs）尚不明确。斜率（2Cdl，Cdl为双层电容）用于表示HER的ECSAs。c）将电流密度与200 mV时的ECSA归一化后得到的Co4N/MoN、Co4N和MoN的本征比活度。Co4N、MoN和Co4N/MoN样品的d）电荷转移电阻（Rct）、e）峰值相位角和g）计算得出的电容（C），电容是通过拟合不同电压下相应的电化学阻抗谱得到的。所有电位均相对于RHE。
图5.碱性HER在Co4N/MoN、MoN和Co4N模型上的能量曲线。TS：过渡态。*:活性位点。
总之，该研究通过一种简便的电沉积-氮化方法构建了一种具有纳米颗粒组装纳米片阵列的分层Co4N/MoN电催化剂，该催化剂具有优异的HER性能，过电位分别为23和238 mV，电流密度分别为10 mA cm-2和1.0 A cm-2，并且在1.0 A cm-2电流密度下具有超过100h的高耐久性。据该研究所知，这是目前已报道的钴基氮化物电催化剂中，在安培级电流密度下同时具有卓越的HER活性和稳健的稳定性的最佳催化剂。更具体地说，其优异的内在HER活性主要归功于Co4N和MoN之间形成的界面，这两种成分可以协同降低H2O离解能垒，加速碱性HER动力学。此外，高度结晶的Co4N/MoN催化剂具有稳定的电化学性能，自支撑的2D垂直纳米片阵列有利于反应物和产物的快速交换。因此，获得的Co4N/MoN电催化剂在安培级电流密度下表现出优异的稳固性。该研究工作证明了制备氮化物基分层纳米复合电催化剂的重要性和可行性，其工业应用前景广阔。
文章信息
期刊：Advanced Functional Materials
题目：Vertically Arrayed Co4N/MoN Nanosheets for Robust Alkaline Electrocatalytic Hydrogen Evolution at Ampere-Level Current Density
作者：Can Li, Ningning Wang, Shuo Wang, Chenyang Li, Wenjun Fan, Taifeng Liu, Shanshan Chen, Fuxiang Zhang
接受日期: 16 February 2025
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423856
