氢气（H₂）因其高能量密度、可再生性和零碳排放等优点而被公认为是最有前途的下一代可再生能源。在众多的现代清洁能源技术中，利用可再生能源的电催化水分解是一种很有前途的大量生产高纯度氢气的技术。为了有效地促进析氢反应（HER），开发高效的电催化剂来降低过电位，加快反应速率至关重要。

近日，内蒙古大学张军教授，高瑞研究员，刘宝仓副教授报道了一种巧妙的策略，在碳布（CC）上生长排列良好的掺氮碳纳米管（NCNTs）阵列，其表面包含具有CoN₄构型的Co单原子，同时在NCNTs内部包裹Co纳米点，并且在NCNTs层中嵌入超细MC纳米颗粒（MC-Co@CoSAsNCNTs/CC，M=W或Mo），从而构建了一种自支撑整体式电极。

文章要点

1）研究人员以双氰胺为氮源/碳源，层状Mo₄-CoLHN中的钴物种为催化剂，在碳化过程中原位生长碳纳米管阵列。在这种集成异质结构中，NCNTs不仅可以防止电解质分子与Co纳米点和MC纳米颗粒直接接触，提高稳定性和耐久性，而且可以在电催化过程中产生丰富的非金属活性中心，促进电子传输。因此，电子可以通过Co-NCNTs和MC-NCNTs的双重界面从Co和MC转移到NCNTs，从而调节CH键的结合能并随后影响氢吸收/解吸步骤以促进电催化反应。

2）实验结果显示，制备集成异质结构用作HER的整体电极，显示出优异的催化性能，在0.5 M H₂SO₄溶液中，WC-Co@CoSAs-NCNTs/CC和MoC-Co@CoSAs-NCNTs/CC的电流密度分别只需23 mV和47 mV的过电位，就能获得10 mA cm²的电流密度。此外，MoC-Co@CoSAs-NCNTs/CC和WC-Co@CoSAs-NCNTs/CC分别在0.5 M H₂SO₄溶液中循环3000次后，其过电位仅增加7 mV和3 mV，电流密度即可达到20 mA cm⁻²，连续电解30 h后，10 mA cm⁻²电流密度没有明显衰减。

这项工作展示了一种获得低成本和高性能的碳基电催化剂的有效途径，其包括多个活性组分，用于实现更佳的电催化性能。

参考文献

Yan Cheng, et al, An Ingenious Strategy to Integrate Multiple Electrocatalytically Active Components within a Well-Aligned Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Array Electrode for Electrocatalysis, ACS Catal. 2021

DOI: 10.1021/acscatal.0c04975

https://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c04975