原创 苗琪 Carbon Energy 2024年12月02日 07:00 浙江
过渡金属硼化物具有奇特的电子结构而展现出许多新奇的物理和化学性质。由于该类硼化物具有良好的导电性、化学稳定性和力学性能等优点，在电催化析氢方面展现出了良好的性能。然而，传统的高温烧结方法很难制备出高质量的大面积过渡金属硼化物薄膜材料，一直制约着该类硼化物阴极材料的发展。
内蒙古师范大学包黎红&曹永军&苏州科技大学马汝广&大连理工大学杨小伟通过硼氢化钠和金属片的原位反应，在真空环境下调节反应温度和化学配比等参数成功制备出了大面过渡金属硼化物薄膜材料（TMB-TFs，TM = Mo、W、V、Nb和Ta）。系统研究了物相、微观结构及电催化析氢性能。通过参数优化得到了性能最优异的MoB薄膜电催化剂。当厚度为4μm的该薄膜在酸性和碱性介质中均表现出最高的HER活性，特别是在高电流密度下，其性能优于商业Pt/C电催化剂。通过DFT计算解释了反应机理，证明了过渡金属硼化物的HER活性来源于TMBs表面B原子的p带中心。该文以“Self-supported thin-film electrode consisting of transition metal borides for highly efficient hydrogen evolution”为题发表在Carbon Energy 期刊上。
1.自支撑薄膜材料合成策略：通过固相烧结法，在过渡金属表面原位合成出过渡金属硼化物薄膜材料，直接用于析氢反应。
2.高效的析氢效率：MoB薄膜在电流密度为10mAcm-2时，酸性环境和碱性环境下，过电位分别为为191 mV和219 mV。特别是高电流密度下其电催化性能优于商业Pt/C电极。
3.深入的机理研究：采用第一性原理，进一步计算了过渡金属硼化物的金属面及硼面的催化活性，为设计优良过渡金属硼化物阴极材料提供了理论基础。
图1：过渡金属硼化物薄膜的合成策略及表征结果
展示了通过固相烧结的方法进行过渡金属硼化物薄膜制备的过程，以及对制得的样品进行初步表征的结果。
图2：过渡金属硼化物薄膜的微观结构
展示了MoB薄膜的断面SEM图像，直观的展示了薄膜的厚度。以MoB及WB薄膜为例，进行了TEM分析，进一步证明了硼化物薄膜的成功合成。
图3：MoB、WB及VB2薄膜的析氢性能对比
展示了所制备的几种过渡金属硼化物薄膜的析氢性能对比，其中MoB薄膜的性能最佳。
图4：酸性溶液下不同厚度MoB薄膜的析氢性能
展示了在0.5 M H2SO4溶液中不同厚度的MoB薄膜性能对比，其中厚度为4μm的MoB薄膜具有最佳性能，并且在高电流密度下性能优于商用Pt/C电极。除此之外MoB薄膜还可以在高电流密度下保持长时间的稳定性。
图5：碱性溶液下不同厚度MoB薄膜的析氢性能
展示了在1M KOH溶液中不同厚度的MoB薄膜性能对比，其结果与酸性溶液相同，在高电流密度下性能依旧优于商用Pt/C电极。
图6：过渡金属硼化物的析氢机理研究
通过DFT计算了五种过渡金属硼化物的氢吸附自由能以及p带中心，进一步验证了实验结果。并且证明了过渡金属硼化物的HER活性来源于其表面B原子的p带中心。
论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。
论文标题：
Self-supported thin-film electrode consisting of transition metal borides for highly efficient hydrogen evolution
文章研究方向：
过渡金属硼化物— —氢析出（HER）
论文网址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.656
DOI: 10.1002/cey2.656
Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。
Carbon Energy 2019年创刊，同年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，连续两年获“中国最具国际影响力学术期刊”称号，连续三年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，2022和2023年入选中科院材料科学一区期刊，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD等收录，2023年获得第三个影响因子19.5，并入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊和2024年度中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例。
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