目前，还尚未报道实现用于电催化析氢的晶格匹配异质界面的优化方法。过渡金属基电催化剂包括硫化物、硒化物、碳化物和氮化物，被认为是有前途的单相析氢电催化剂。其中，钼的碳化物和氮化物表现出与铂相似的电子性质，使它们成为她有前途的候选材料。然而，在酸性和碱性介质中，它们的电催化活性仍然无法与铂基电催化剂相比。

近日，西北工业大学李炫华教授开发了一种梯度加热外延方法来制备晶格匹配良好的Mo₂C-Mo₂N异质结构，用于高效制氢。

文章要点

1）与先前关于晶格失配异质界面的Mo₂C-Mo₂N催化剂的报道不同，界面处有利的成核吸附和快速沉积生长有效地减少了梯度加热外延生长过程中Mo₂C和Mo₂N之间的失配，产生了晶格匹配良好的Mo₂C-Mo₂N异质结构。

2）X射线光电子能谱(XPS)结合开尔文探针力显微镜(KPFM)测量证实了电子确实从Mo₂C转移到Mo₂N。态密度(DOS)结果进一步证实了Mo₂C-Mo₂N的Mo位上发生了电子重排。密度泛函理论(DFT)计算确定晶格匹配良好的Mo₂C-Mo₂N异质结构表现出接近零的氢吸附自由能(∆G_H*)，显示出在酸性环境中有利的氢吸附动力学。此外，Mo₂C-Mo₂N异质界面有效地促进了水离解过程的速率决定步骤(RDS ),改善了碱性介质中的HER动力学。

3）实验结果显示，晶格匹配良好的Mo₂C-Mo₂N异质结构用于HER表现出优异的电催化活性，在10 mA cm^-2下具有73 mV的异常低的过电位(η₁₀)，在酸中具有38.5 mV dec^-1的塔菲尔斜率，在碱中具有80 mV的η₁₀，具有39.7 mV dec^-1的塔菲尔斜率。此外，Mo₂C-Mo₂N异质结构也能够在酸性和碱性介质中在10 mA cm^-2下催化HER达到150 h，使它们成为电催化析氢的极好的低成本候选催化剂。

4）有趣的是，H₂O分子在异质结构上的吸附在气相中比在液相中更有利。这启发研究人员开发一种新的电催化水蒸气分解装置来高效地产生氢气。结果显示，Mo2C-Mo2N异质结构仅需要1.69 V即可在电催化水分解装置中获得10 mA·cm^-2的电流密度，远低于常规液体水分解装置（1.725 V）。

参考文献

Youzi Zhang, et al, Gradient Heating Epitaxial Growth Well Lattice-Matched Mo₂C-Mo₂N Heterointerfaces Boost Both Electrocatalytic Hydrogen Evolution and Water Vapor Splitting, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202209703

https://doi.org/10.1002/anie.202209703