原創 苗琪 Carbon Energy 2024年12月02日 07:00 浙江
過渡金屬硼化物具有奇特的電子結構而展現出許多新奇的物理和化學性質。由于該類硼化物具有良好的導電性、化學穩定性和力學性能等優點，在電催化析氫方面展現出了良好的性能。然而，傳統的高溫燒結方法很難制備出高質量的大面積過渡金屬硼化物薄膜材料，一直制約著該類硼化物陰極材料的發展。
內蒙古師范大學包黎紅&曹永軍&蘇州科技大學馬汝廣&大連理工大學楊小偉通過硼氫化鈉和金屬片的原位反應，在真空環境下調節反應溫度和化學配比等參數成功制備出了大面過渡金屬硼化物薄膜材料（TMB-TFs，TM = Mo、W、V、Nb和Ta）。系統研究了物相、微觀結構及電催化析氫性能。通過參數優化得到了性能最優異的MoB薄膜電催化劑。當厚度為4μm的該薄膜在酸性和堿性介質中均表現出最高的HER活性，特別是在高電流密度下，其性能優于商業Pt/C電催化劑。通過DFT計算解釋了反應機理，證明了過渡金屬硼化物的HER活性來源于TMBs表面B原子的p帶中心。該文以“Self-supported thin-film electrode consisting of transition metal borides for highly efficient hydrogen evolution”為題發表在Carbon Energy 期刊上。
1.自支撐薄膜材料合成策略：通過固相燒結法，在過渡金屬表面原位合成出過渡金屬硼化物薄膜材料，直接用于析氫反應。
2.高效的析氫效率：MoB薄膜在電流密度為10mAcm-2時，酸性環境和堿性環境下，過電位分別為為191 mV和219 mV。特別是高電流密度下其電催化性能優于商業Pt/C電極。
3.深入的機理研究：采用第一性原理，進一步計算了過渡金屬硼化物的金屬面及硼面的催化活性，為設計優良過渡金屬硼化物陰極材料提供了理論基礎。
圖1：過渡金屬硼化物薄膜的合成策略及表征結果
展示了通過固相燒結的方法進行過渡金屬硼化物薄膜制備的過程，以及對制得的樣品進行初步表征的結果。
圖2：過渡金屬硼化物薄膜的微觀結構
展示了MoB薄膜的斷面SEM圖像，直觀的展示了薄膜的厚度。以MoB及WB薄膜為例，進行了TEM分析，進一步證明了硼化物薄膜的成功合成。
圖3：MoB、WB及VB2薄膜的析氫性能對比
展示了所制備的幾種過渡金屬硼化物薄膜的析氫性能對比，其中MoB薄膜的性能最佳。
圖4：酸性溶液下不同厚度MoB薄膜的析氫性能
展示了在0.5 M H2SO4溶液中不同厚度的MoB薄膜性能對比，其中厚度為4μm的MoB薄膜具有最佳性能，并且在高電流密度下性能優于商用Pt/C電極。除此之外MoB薄膜還可以在高電流密度下保持長時間的穩定性。
圖5：堿性溶液下不同厚度MoB薄膜的析氫性能
展示了在1M KOH溶液中不同厚度的MoB薄膜性能對比，其結果與酸性溶液相同，在高電流密度下性能依舊優于商用Pt/C電極。
圖6：過渡金屬硼化物的析氫機理研究
通過DFT計算了五種過渡金屬硼化物的氫吸附自由能以及p帶中心，進一步驗證了實驗結果。并且證明了過渡金屬硼化物的HER活性來源于其表面B原子的p帶中心。
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論文標題：
Self-supported thin-film electrode consisting of transition metal borides for highly efficient hydrogen evolution
文章研究方向：
過渡金屬硼化物— —氫析出（HER）
論文網址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.656
DOI: 10.1002/cey2.656
Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由溫州大學和Wiley攜手創辦，聚焦清潔能源、光電催化、新型碳制造、碳減排等領域，旨在成為國內外優秀科研成果展示的高端平臺、國家重大科研戰略的助推器和廣大科研工作者喜愛閱讀的科研工具，立志成為未來“碳時代”高影響力的學術旗艦期刊。
Carbon Energy 2019年創刊，同年入選中國科技期刊卓越行動計劃“高起點新刊”，連續兩年獲“中國最具國際影響力學術期刊”稱號，連續三年入選科技期刊世界影響力指數（WJCI）報告，2022和2023年入選中科院材料科學一區期刊，相繼被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD等收錄，2023年獲得第三個影響因子19.5，并入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文梯隊期刊和2024年度中國高校科技期刊建設示范案例庫杰出科技期刊入庫案例。
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