image: VN作为一种早期过渡金属氮化物，具有固有的3d电子不足，表现出周电子吸附能力，从而抑制了Hads的连续形成。 Co原子作为一种晚期过渡金属，理所当然地占据了比V原子更多的3d电子，由于Co原子和Hads之间的强相互作用，这可能会限制Hads的释放。 因此，一旦 VN 和 Co 的电子相互耦合进行，Co 原子的富电子 d 轨道和 V 原子的缺电子 d 轨道将同时将电子转移到桥接 N 原子的 p 轨道，从而导致 在 VN/Co@GNC 中，Co、V 和 N 之间的电子离域得到改善。 当 Co 和 V 原子上的电子密度平衡时，可以根据 Sabatier 机制优化 N 原子和 Hads 之间的相互作用，这将有利于增强水分子的吸附和解离，从而升级制氢。陈教授团队绘制。 view more
Credit: 北京中科期刊出版有限公司
近日，《先进传感器和能源材料》杂志在线发表了吉林大学陈教授团队的研究成果。传统能源日益枯竭和环境污染严重这两大问题推动了对可持续绿色能源开发的持续需求，以支持全球碳中和战略。氢燃料具有能量密度高、无污染等特点，被视为理想的绿色能源。在目前的工业制氢方式中，电力驱动的水分解是最有前途的可持续制氢技术之一，其中电力可以从太阳能或风能中转换出来。析氢反应 (HER) 是水分解的重要半反应，其先进的电催化剂高度依赖于 Pt 和 Pt 基贵金属材料，具有接近零的起始电位和顶尖的 HER 活性。然而，贵金属电催化剂的明显缺点在于储量稀少，价格昂贵，很大程度上限制了其商业化应用。因此，当务之急是开发具有成本效益和可比 HER 催化性能的无贵金属替代品。
在过去的几十年中，许多高效的非贵金属催化剂已被开发用于 HER，包括氧化物、碳化物、硫属化物、磷化物和氮化物。在过渡金属氮化物中，氮化钒（VN）最近因其良好的导电性、化学稳定性和耐腐蚀性而备受关注，可应用于燃料电池、电池和超级电容器领域。值得注意的是，VN 也被认为是一种具有与 Pt 相似的电子结构的特征间隙化合物，被认为是一种理想的 HER 电催化剂。就VN相关电催化剂的合成方法而言，大部分过程涉及高温煅烧，不可避免地导致颗粒团聚，从而大大减少活性位点的数量，导致HER活性不理想。众所周知，构建超细结构可以增加暴露在电催化剂表面的活性位点数量，这被认为是提高催化剂活性的有效途径。该方法的核心思想主要是通过减小粒径形成超小纳米粒子，从而赋予催化剂更多的催化活性位点。此外，虽然VN作为具有代表性的早期过渡金属氮化物具有巨大的催化HER潜力，但其不足的d带密度仍然使其难以产生吸附氢（Hads），导致催化HER活性不理想。纯VN。钴 (Co) 是一种典型的晚期过渡金属，具有相当丰富的储量和丰富的 3d 电子，可用于弥补 VN 带中心缺乏的 3d 电子不足，从而有助于电化学反应。此外，有充分证据表明，N掺杂的碳基材料作为骨架可增强催化材料的电子导电性和分散性，有利于电子转移和电解质与活性物质之间的充分接触。鉴于上述推测，N掺杂碳负载的超小VN/Co杂化物的精心设计被考虑到提高碱性条件下的HER活性。
在这里，他们报道了通过简单的煅烧方案嵌入 N 掺杂石墨化纳米碳 (VN/Co@GNC) 中的具有超小结构的异质 VN/Co 纳米颗粒。令人印象深刻的是，所得的 VN/Co@GNC 在 155 mV 的小过电位下提供 10 mA/cm2 的电流密度，并在 1 M KOH 溶液中保持催化耐久性至少 565 小时（~23 天）。这项有趣的工作突出了一种新的 d 电子互补策略，用于工程金属氮化物作为 HER 的有效电催化剂。这项工作的发现为工业超稳定催化剂的发展提供了新的思路和策略。
研究详情请见原文：
Ultrasmall VN/Co heterostructure with optimized N active sites anchored in N-doped graphitic nanocarbons for boosting hydrogen evolution
https://doi.org/10.1016/j.asems.2022.100027
Journal
Advanced Sensor and Energy Materials
Article Title
Ultrasmall VN/Co heterostructure with optimized N active sites anchored in N-doped graphitic nanocarbons for boosting hydrogen evolution
Article Publication Date
5-Jul-2022