氮磷共掺杂椰壳活性炭负载Mo2C催化剂在碱性电解水析氢反应中的高效性能研究

为应对电解水制氢中贵金属催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员开发了基于生物质碳载体的氮磷共掺杂Mo2C催化剂（Mo2C/NPBC-X）。该催化剂在1 M KOH中表现出166 mV@10 mA cm-2的低过电位和110小时稳定性，为绿色制氢提供了经济高效的解决方案。

　　

随着化石能源枯竭与环境恶化，氢能因其零碳、高效特性成为理想替代能源。电解水制氢技术中，碱性条件下的析氢反应(HER)因设备要求低而广泛应用，但其动力学速率比酸性条件慢2-3个数量级，核心瓶颈在于水分解步骤（Volmer步骤）的高能垒。虽然铂族金属催化剂性能优异，但其高昂成本制约了规模化应用。因此，开发具有类铂电子结构的非贵金属催化剂成为研究热点，其中过渡金属碳化物Mo₂C因其独特的d带电子结构备受关注。

针对上述问题，中国林业科学研究院的研究团队创新性地利用椰壳生物质碳为载体，通过三步法制备氮磷共掺杂Mo₂C催化剂（Mo₂C/NPBC-X），相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》。该研究通过调控钼负载量优化催化剂性能，结合多尺度表征揭示了碳载体与活性组分的协同机制。

关键技术方法
研究采用预处理-活化-碳化的三步法制备催化剂：1）椰壳经ZnCl₂活化构建多孔结构；2）通过尿素和NaH₂PO₂实现氮磷共掺杂；3）高温碳化过程中原位生成Mo₂C纳米颗粒。采用X射线衍射(XRD)和电化学测试分别分析晶体结构和HER性能。

研究结果
X射线衍射分析
Mo₂C-NPBC-1.5在34.4°、61.5°等处出现典型立方相Mo₂C衍射峰，同时保留碳载体(002)晶面特征峰，证实成功构建异质结构。

电子结构调控机制
氮磷共掺杂使碳载体功函数从4.8 eV降至4.5 eV，促进电子从碳向Mo₂C转移，优化氢吸附自由能(ΔG_H*)。X射线光电子能谱(XPS)显示Mo^δ+(0<>

电化学性能
最优样品Mo₂C-NPBC-1.5在10 mA cm^-2电流密度下过电位仅166 mV，Tafel斜率为89.3 mV dec^-1，优于商业Mo₂C(336 mV)和多数文献报道值。持续110小时@100 mA cm^-2测试后活性衰减<3%，归因于碳层对Mo₂C的锚定保护作用。

结论与意义
该研究开创性地将生物质碳载体与电子结构调控策略相结合：1）椰壳多孔结构实现Mo₂C纳米颗粒的高分散；2）氮磷共掺杂构建电子传输通道，加速Volmer步骤；3）碳封装技术解决过渡金属溶出难题。相比传统化学气相沉积法，该工艺更安全环保，为设计低成本、高性能HER催化剂提供了新范式，推动电解水制氢技术的产业化进程。