学术报告：IrMo纳米簇掺杂的富氮介孔碳电催化剂：来自Cucurbit[6]uril的高效碱性氢气演化反应

作者及研究背景

该研究的主要作者包括Xiao Xin, Li Zheng, Xiong Ying 和 Yang Ying-Wei，分别来自辽宁大学化学学院和吉林大学化学学院。这项研究发表于《Journal of the American Chemical Society》2023年第145卷，第16548至16556页，具体发布日期为2023年7月19日。论文标题为“IrMo纳米簇掺杂的富氮介孔碳电催化剂：来自Cucurbit[6]uril的高效碱性氢气演化反应”。

研究的学术背景

氢气被视为未来能源供应的重要组成部分，其具有可再生、环保和高热值等优点。作为水分解的关键半反应，氢气演化反应（HER）提供了通过电解水转化电能为化学能的有效途径。相比酸性介质中的水电解，碱性电解槽的HER已经工业化超过100年，因为其反应条件更加温和，能量转化效率更高。然而，在碱性电解质中的HER反应速率比酸性条件下慢2到3个数量级，主要是由于初始水解离步骤（Volmer步骤：H2O + e- → H* + OH-）的额外能量障碍。因此，开发适用于碱性电解质的高效电催化剂，对于提升反应动力学、改善质量传输效率和在较低过电位下促进质子还原反应具有重要意义。

贵金属催化剂（如铂、铱和钌）已被证明在HER中具有较高的交换电流密度和较低的塔费尔斜率，因此被认为是最有前途的替代品。然而，由于它们在碱性电解质中的水解离能力较差，导致Volmer步骤的能量障碍较大，限制了它们的实际应用。因此，改善贵金属催化剂的水解离性能，特别是在碱性介质中的HER动力学，成为当前研究的一个挑战。研究表明，双金属掺杂可以有效调节贵金属表面的电子结构，优化水分解中间体的吸附能，并减少贵金属的使用量。

研究方法与实验流程

本研究提出了一种通过模板自由法合成的IrMo（铱-钼）纳米簇掺杂的富氮介孔碳（CBC）电催化剂。该电催化剂是通过自组装的Cucurbit[6]uril（CB[6]）大环分子衍生的介孔碳基质来稳定IrMo纳米簇的。具体而言，研究首先通过微波辅助水热处理将CB[6]衍生的CBC与IrCl3·H2O和(NH4)6Mo7O24·4H2O混合，形成杂化前驱体。然后，利用氮气流煅烧前驱体，成功制备了目标催化剂IrMo-CBC。通过此方法，Ir和Mo物种转化为双金属IrMo纳米簇，而CBC基质则为IrMo纳米簇的生长提供了充足的成核位点，同时保持其良好的分散性。

该研究进一步优化了Mo的掺杂量，制备了不同Mo含量的IrMo-CBC-x催化剂（x代表Mo前体的添加量），并通过一系列电化学测试对其HER性能进行了评估。通过测量催化剂的过电位、塔费尔斜率、电化学双层电容等参数，研究人员确定了IrMo-CBC-4.2作为最优催化剂，其HER性能优异，远超其他对比材料。

研究的主要结果

1. IrMo纳米簇的制备与表征
   通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察，发现IrMo-CBC-4.2中纳米簇的粒径约为1.17 nm，并且纳米簇在CBC基质中均匀分布。X射线衍射（XRD）图谱表明，IrMo-CBC-4.2呈现出铱金属（fcc-Ir）晶体结构，且由于Mo的掺入，Ir的晶格发生了扩展，进一步证实了IrMo纳米簇的成功合成。元素分布图（EDS Mapping）进一步表明，Ir、Mo和N元素均匀分布于催化剂中。

2. 电催化性能评估
   IrMo-CBC-4.2的HER性能通过极化曲线（Polarization Curve）进行了详细评估，结果表明，在10 mA/cm²电流密度下，其过电位仅为12 mV，塔费尔斜率为28.06 mV·dec⁻¹，显示出优异的电催化性能。相比之下，Ir-CBC、Mo-CBC、纯Ir和商业Pt/C催化剂的过电位均较高。此外，IrMo-CBC-4.2的Faradic效率达到98%，表明该催化剂在HER过程中具有极高的电流效率。

3. 稳定性与耐久性测试
   该催化剂的稳定性通过循环伏安法（CV）进行了测试，结果表明，IrMo-CBC-4.2在3000次循环后，其HER性能几乎没有变化，显示出良好的催化稳定性。此外，通过恒电流测试（Chronopotentiometry）发现，IrMo-CBC-4.2在长时间使用下仍保持较高的催化活性，表明其在碱性介质中的稳定性优异。

研究结论

本研究成功设计并合成了一种基于IrMo纳米簇掺杂的富氮介孔碳电催化剂IrMo-CBC，采用CB[6]衍生的富氮介孔碳基质，这种催化剂展现出优异的HER性能。其过电位低至12 mV，塔费尔斜率仅为28.06 mV·dec⁻¹，且具有98%的Faradic效率。IrMo-CBC-4.2的良好性能主要归因于其小尺寸的IrMo纳米簇、高效的水分子吸附与解离性能、以及富氮的碳基质提供的额外活性位点。该研究不仅提供了一种高效的电催化剂，同时也为HER催化剂的设计提供了新的思路。

研究亮点与创新

1. IrMo双金属纳米簇的设计：本研究通过Mo的掺杂提高了Ir在碱性介质中的水解离能力，极大地优化了催化剂的HER性能。
2. 富氮介孔碳基质的应用：采用CB[6]衍生的富氮碳基质，为催化剂提供了更高的表面活性位点，并增强了催化剂的稳定性和导电性。
3. 电催化性能的提升：研究表明，IrMo-CBC-4.2催化剂相比于纯Ir、Ir-CBC以及商业Pt/C催化剂具有更低的过电位和更高的电催化效率，显示出其在碱性HER中的优势。

科学与应用价值

该研究为开发新型碱性氢气演化反应催化剂提供了重要的理论和实验依据，尤其是在贵金属催化剂的优化设计方面。IrMo-CBC催化剂的优异性能使其成为潜在的高效能源转换材料，具有广泛的应用前景。通过进一步优化催化剂的结构和组成，未来可能在大规模能源生产和储存中发挥重要作用。