钼掺杂诱导铜硒纳米片边缘非晶化提升中性介质中析氢反应性能

针对中性介质中析氢反应(HER)动力学缓慢、催化剂稳定性差的难题，研究人员通过钼(Mo)掺杂策略制备了边缘非晶化的Mo0.33Cu0.67Se纳米片。该催化剂在1 M PBS中仅需55 mV过电位即可达到10 mA cm?2电流密度，性能优于商用Pt/C，并通过抑制Se离子氧化溶解实现550小时稳定运行。该研究为设计高效中性HER催化剂提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零污染特性成为替代化石燃料的理想选择。电解水制氢技术中，中性介质析氢反应(HER)可避免强酸强碱环境的设备腐蚀问题，但现有催化剂普遍存在活性低、稳定性差的瓶颈。特别是铂(Pt)基催化剂在中性环境中的活性比酸性介质低2-3个数量级，而过渡金属硒化物(TMSes)虽成本低廉，却面临硒(Se)离子溶解导致的性能衰减难题。

海南大学研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地通过钼掺杂诱导铜硒(CuSe)纳米片边缘非晶化，成功制备出Mo_0.33Cu_0.67Se催化剂。该材料在1 M磷酸盐缓冲液(PBS)中仅需55 mV过电位即可驱动10 mA cm^?2的HER电流密度，塔菲尔斜率低至75 mV dec^-1，性能超越商用20% Pt/C。更引人注目的是，其可在100 mA cm^?2高电流密度下稳定工作550小时，电流衰减不足1%。

研究采用溶剂热法一步合成负载于泡沫镍的催化剂，结合X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)表征材料结构，通过电化学工作站评估性能，并利用密度泛函理论(DFT)计算揭示机理。

结果与讨论

1. 材料设计与合成：通过调控Na₂MoO₄掺杂比例，实现CuSe晶格中Mo原子占比33%，同步诱导纳米片边缘形成非晶结构。
2. 电子结构调控：DFT计算表明Mo掺杂使Se的价态降低，Se-O键结合能减弱，有效抑制SeO₃^2-生成；非晶边缘使Mo的d带中心上移，优化H₂O解离能垒。
3. 催化性能突破：在pH=7的PBS中，Mo_0.33Cu_0.67Se的起始过电位较CuSe降低62%，质量活性提升8倍，且阻抗显著降低。
4. 稳定性机制：原位拉曼光谱证实非晶边缘形成保护层，使Se溶解速率下降76%，这是迄今报道的中性HER催化剂的最长稳定记录。

结论与意义
该研究通过"掺杂-非晶化"协同策略，首次实现TMSes材料在中性HER中的活性与稳定性双重突破。理论计算阐明边缘非晶化通过电子再分布调控氢吸附自由能(ΔG_H*)，使水分解能垒降低0.32 eV。这一发现为设计非贵金属HER催化剂提供了普适性方法，推动中性电解水制氢技术的实际应用。研究获得国家自然科学基金(52301268)和海南省自然科学基金(522QN282)支持，Min Wang为第一作者，Hongtao Liu参与理论计算工作。