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  異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同組分的電子性質(zhì)，在界面處形成獨(dú)特的界面電荷態(tài)從而促進(jìn)其催化活性，在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。然而，對(duì)于高活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控制備（如成分調(diào)整、形貌控制以及活性位點(diǎn)分布等）依舊存在挑戰(zhàn)。

  電解水產(chǎn)氫（HER）作為“最理想的工業(yè)制氫方法”，其理想的催化劑多以鉑（Pt）基材料為主，然而，稀缺性和高價(jià)格極大地限制了它的實(shí)際應(yīng)用。許多非鉑基催化劑，如鎳基催化劑、鉬基催化劑、鈷基催化劑、雜原子摻雜碳催化劑等，雖已被大量研究，但與鉑基催化劑相比，性能差距依然明顯。因此，開發(fā)性能優(yōu)越的非鉑基催化劑越顯重要。目前，科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)在釕顆粒晶格中摻入適量的異質(zhì)金屬（如鈷、鎳等）形成合金，可以有效改變釕基催化劑的電化學(xué)特性，從而顯著提高其催化活性和穩(wěn)定性。然而，由于多金屬成核和還原過(guò)程的難以控制，制備具有尺寸可控、性質(zhì)穩(wěn)定的釕納米合金材料仍具有很大的挑戰(zhàn)。

  最近，上海交通大學(xué)莊小東教授課題組與蘇躍增教授團(tuán)隊(duì)合作，利用模板法制備可控的離子聚合物納米片，以含陽(yáng)離子聚酰亞胺為前驅(qū)體，通過(guò)簡(jiǎn)便的離子交換法，將雙金屬（MoO₄^2?/Ru[CN]₆^4?）源成功地引入前驅(qū)體中，經(jīng)高溫?zé)峤庑纬汕队蠷uMo合金納米顆粒的二維多孔氮摻雜碳納米片（2DPC-RuMo；圖1）。所制備的2DPC-RuMo呈現(xiàn)規(guī)整的六邊形形貌（2.5 μm）、均勻的RuMo合金顆粒分散和高的比表面積（356 m2 g^?1）（圖2）。作為HER催化劑，在堿性介質(zhì)中，2DPC-RuMo表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，電流密度達(dá)到10 mA cm^-2時(shí)的過(guò)電位僅為18 mV，Tafel斜率為25 mV dec^-1，轉(zhuǎn)化頻率（TOF）值高達(dá)3.57 H₂ s^-1，其性質(zhì)優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的其它釕基碳催化劑（圖3）。進(jìn)一步DFT計(jì)算表明，釕鉬合金和氮摻雜碳的新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以有效促進(jìn)水的分解，降低催化劑對(duì)氫的吸附能，利于氫在催化劑表面吸脫附，從而提高HER性能（圖4）。這項(xiàng)工作為可控制備金屬（合金）基異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一種有效可行的方法，同時(shí)為電催化析氫反應(yīng)提供了一種優(yōu)異的催化劑。

圖1金屬基二維多孔碳納米片（2DPC-M）的制備工藝示意圖：i）單體PMDA和Vio-NH2?2HCl沉積并在MgAl-LDH模板表面原位聚合，形成IPI-X@LDH（X=Cl）；ii）與含有金屬的陰離子進(jìn)行離子交換，形成IPI-X@LDH（X=[MoO₄]，0.5[Ru(CN)₆]）；iii）IPI-X@LDH碳化形成2DPC-M@LDO；iv）蝕刻LDO模板生成2DPC-M（M=Mo、Ru和RuMo）

圖2 a) 2DPC納米片的SEM圖，標(biāo)尺：5 mm；b) 2DPC-RuMo納米片的TEM圖，標(biāo)尺：500 nm；c) 2DPC-RuMo納米片HRTEM圖和粒徑尺寸分布，標(biāo)尺：10 nm；d) 2DPC-RuMo納米片HAADF-STEM-EDS圖，標(biāo)尺：2 nm；e) RuMo納米顆粒的HRTEM圖，標(biāo)尺：1 nm；f) 更大放大倍數(shù)的HRTEM圖, 標(biāo)尺：0.5 nm; g) 具有明顯錯(cuò)位晶界的HRTEM圖，標(biāo)尺：0.5 nm。

圖3 2DPC-RuMo的HER性能測(cè)試。a) LSV曲線；b) Tafel斜率；c) 與文獻(xiàn)性能對(duì)比；d) 電容特性；e) TOF值對(duì)比；f) 循環(huán)穩(wěn)定性和恒壓穩(wěn)定性。

圖4堿性介質(zhì)中對(duì)HER活性的密度泛函理論計(jì)算。

  目前該工作以“A Novel Heterostructure Based on RuMo Nanoalloys and N-doped Carbon as an Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”為題在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202005433）上。該論文的第一作者為上海交通大學(xué)2017級(jí)碩士研究生涂柯俊，通訊作者為莊小東教授、蘇躍增教授和楊重慶博士。該項(xiàng)工作得到了基金委優(yōu)秀青年基金資助，獲得了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及上海市科委的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202005433