在多孔碳纳米纤维中，通过钴掺杂工程对MoC–Mo2N异质结构进行改性，以增强氢气的释放性能

《Journal of Colloid and Interface Science》：Cobalt doping engineering of MoC–Mo 2N heterostructures in porous carbon nanofibers for enhanced hydrogen evolution

氢能开发中高效稳定的电催化剂是关键。本研究通过一维纳米纤维自组装和高温退火策略，成功制备了Co掺杂的MoC–Mo?N@pCNFs催化剂。实验与DFT计算表明，Co掺杂有效调控了异质结构的电子态，降低H?吸附能，使碱性/酸性条件下的过电位分别为95/115 mV，在10 mA/cm2电流密度下稳定性达40/35小时。该催化剂具有低成本、高活性及优异稳定性，为过渡金属碳/氮基催化剂开发提供了新思路。

　　氢能源作为一种具有高能量密度和零污染排放的可再生能源，近年来受到了广泛的关注。随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢气的制备技术也变得尤为重要。其中，水电解技术因其清洁性和可持续性，被认为是未来氢能源生产的关键路径之一。然而，水电解过程中，氢气析出反应（HER）的效率受到电催化剂性能的显著影响。因此，开发低成本、高性能的HER电催化剂成为推动水电解技术发展的核心课题。

过渡金属碳化物和氮化物因其独特的电子结构、丰富的资源以及宽泛的pH适用范围，被广泛研究作为HER电催化剂的候选材料。特别是钼碳化物（MoC）和钼氮化物（Mo?N），它们展现出与铂（Pt）相似的催化活性，但成本和稀缺性远低于Pt基催化剂。这使得它们在大规模应用中具有更高的可行性。然而，尽管这些材料具有良好的潜力，其实际应用仍面临一些挑战。例如，钼碳化物和钼氮化物在电解液中的反应能垒较高，限制了其催化效率。此外，高能量的合成条件往往导致催化剂表面形成碳层，阻碍了活性位点与电解液的直接接触，从而降低了整体性能。

为了解决上述问题，研究者们尝试通过多种策略来优化过渡金属碳化物和氮化物的电催化性能。其中，异原子掺杂和异质结构设计是两个重要的研究方向。异原子掺杂可以改变催化剂的电子结构，增强其对反应物的吸附能力，从而降低反应能垒。而异质结构设计则可以通过不同材料之间的协同作用，提高催化活性和稳定性。例如，通过在催化剂中引入钴（Co）等过渡金属，可以诱导钼基材料的电荷重新分布，形成双金属协同效应，进而提升HER性能。

在这一背景下，本研究提出了一种新型的HER电催化剂——Co/MoC–Mo?N@pCNFs。该催化剂采用了一步合成策略，通过电纺丝技术和高温碳化过程，将钴掺杂的MoC–Mo?N异质结构封装在多孔碳纳米纤维（pCNFs）中。这种设计不仅实现了材料的高效分散，还通过多孔结构增强了电解液与活性位点的接触，从而显著提升了催化性能。实验结果显示，该催化剂在碱性介质中仅需95?mV的过电位即可达到10?mA?cm?2的电流密度，而在酸性介质中则为115?mV。同时，其在40小时和35小时的长时间电解测试中均表现出优异的稳定性，优于许多已报道的过渡金属碳化物和氮化物电催化剂。

该催化剂的制备过程具有显著的优势。首先，电纺丝技术是一种简单且高效的材料合成方法，能够将活性成分均匀地分散在纳米纤维中，避免了传统高温合成过程中可能出现的团聚和烧结现象。其次，通过高温碳化过程，可以在不引入额外复杂步骤的情况下，同时实现异原子掺杂和多孔结构的构建。这一过程不仅简化了合成流程，还提高了催化剂的结构均匀性和性能稳定性。此外，多孔碳纳米纤维作为载体，能够为催化剂提供更大的比表面积，促进反应物的扩散和产物的传输，从而进一步提升催化效率。

在性能优化方面，本研究通过实验和理论计算相结合的方法，深入探讨了钴掺杂对MoC–Mo?N异质结构HER性能的影响。理论计算表明，钴的引入能够有效调节钼基材料的电子结构，增强其对氢原子的吸附能力，从而降低反应能垒。实验结果也验证了这一点，显示Co/MoC–Mo?N@pCNFs催化剂在HER过程中表现出优异的活性和稳定性。这一发现为设计和优化其他过渡金属碳化物和氮化物电催化剂提供了重要的理论依据和实践参考。

除了性能提升，该催化剂的制备方法也具有一定的可扩展性和应用潜力。电纺丝技术作为一种成熟的纳米材料制备手段，已经被广泛应用于多种电催化剂的合成。通过调整前驱体的配比和合成条件，可以进一步优化催化剂的组成和结构，以适应不同的电解环境和应用场景。此外，多孔碳纳米纤维作为载体材料，不仅能够提高催化剂的分散性和稳定性，还具备良好的导电性和机械强度，为实际应用提供了坚实的基础。

值得注意的是，本研究中提到的钴掺杂策略并非孤立存在，而是与异质结构设计和多孔结构构建相结合，形成了一个综合的优化体系。这种多策略协同作用的方式，不仅提高了催化剂的性能，还增强了其在复杂环境下的稳定性。例如，在碱性环境中，催化剂的稳定性尤为重要，因为碱性条件下的电解液通常具有较强的腐蚀性。而Co/MoC–Mo?N@pCNFs催化剂能够在碱性介质中稳定运行长达40小时，显示出其在实际应用中的可行性。

在实际应用中，这种新型电催化剂有望在多种水电解系统中发挥重要作用。例如，在碱性水电解系统中，由于其对碱性条件的适应性，该催化剂可以有效提高氢气的产率，降低能耗。而在酸性水电解系统中，其优异的导电性和稳定性同样能够带来显著的性能提升。此外，由于其制备过程相对简单，且材料成本较低，这种催化剂在工业规模化生产方面也具有一定的优势。

本研究的成果不仅为HER电催化剂的开发提供了新的思路，也为未来氢能源技术的推广和应用奠定了基础。通过合理的材料设计和合成策略，可以进一步优化催化剂的性能，提高其在不同电解条件下的适用性。同时，研究还强调了多孔结构和异原子掺杂在提升催化剂性能中的关键作用，为后续研究提供了重要的指导意义。

此外，本研究还提到，异原子掺杂（如硼、氮、磷、硫等）在提升催化剂性能方面同样具有重要作用。这些掺杂元素可以通过改变催化剂的电子结构，增强其对反应物的吸附能力，提高催化活性。例如，硫掺杂可以激活钼基材料，增强其导电性，并促进催化组分之间的协同作用，从而提升整体性能。因此，异原子掺杂策略可以作为进一步优化HER电催化剂的重要手段。

综上所述，本研究通过创新的材料设计和合成策略，成功开发出一种具有优异HER性能和稳定性的新型电催化剂——Co/MoC–Mo?N@pCNFs。该催化剂不仅在性能上优于许多已报道的同类材料，而且其制备过程相对简单，具有良好的可扩展性和应用前景。研究结果为未来氢能源技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导，同时也为其他过渡金属碳化物和氮化物电催化剂的优化提供了新的思路和方法。