钼磷化物/碳纳米纤维复合材料的电纺制备及其高效析氢性能研究

本研究针对贵金属基电催化剂成本高的问题，开发了钼磷化物(MoP)与碳纳米纤维(CNFs)复合的析氢反应(HER)催化剂。通过高温磷化法制备的MoP/CNFs复合材料在酸性介质中表现出优异的催化活性（过电位258 mV@10 mA cm?2，塔菲尔斜率71.34 mV dec?1），其导电网络结构和磷原子调控的氢吸附自由能(ΔGH?)显著提升了HER性能，为过渡金属磷化物(TMPs)的改性提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注，但传统贵金属基电催化剂（如Pt）的高成本制约其大规模应用。针对这一瓶颈，研究人员致力于开发非贵金属催化剂，其中钼基材料因其类铂的d电子结构和低成本优势成为研究热点。钼磷化物(MoP)虽具有适宜的氢吸附自由能(ΔG_H?)，但纳米颗粒易团聚、导电性差等问题限制了其析氢反应(HER)性能。吉林大学的研究团队创新性地将MoP纳米颗粒与电纺碳纳米纤维(CNFs)复合，通过材料设计与界面调控显著提升了催化效率，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用三项关键技术：1) 静电纺丝制备聚丙烯腈(PAN)基碳纳米纤维网络；2) 水热法在CNFs表面生长钼氧化物前驱体；3) 次磷酸钠(NaH₂PO₂)高温磷化处理（850°C，H₂氛围）获得MoP/CNFs复合材料。通过SEM、XRD等表征手段验证材料结构，并采用三电极体系测试电化学性能。

研究结果
组成与形貌表征：SEM显示MoP呈100 nm球形纳米颗粒均匀锚定于CNFs表面（直径300 nm），形成三维导电网络。XRD证实成功合成六方晶系MoP（PDF#24-0771），且CNFs的(002)晶面衍射峰表明其石墨化结构。

电化学性能：在0.5 M H₂SO₄中，MoP/CNFs的过电位(η₁₀)比纯MoP降低59 mV（258 mV vs. 317 mV），塔菲尔斜率下降12.12%（71.34 mV dec^?1）。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻(R_ct)显著降低，证实CNFs提升了电子传输效率。

机理分析：XPS表明P原子更高的电负性可调控Mo的电子结构，降低其d带中心，从而优化氢吸附自由能。CNFs不仅防止MoP颗粒团聚，其缺陷位点还促进了H⁺吸附和H₂脱附动力学。

结论与意义
该研究通过构建MoP/CNFs异质结构，实现了三大突破：1) 导电网络加速电荷传输；2) 纳米分散抑制颗粒腐蚀；3) 磷原子调控活性位点电子态。这种"载体-活性位"协同策略使复合材料在酸性HER中兼具高活性与稳定性，为过渡金属磷化物(TMPs)的理性设计提供了范式。研究成果对推动非贵金属催化剂在电解水制氢领域的应用具有重要价值，尤其适用于质子交换膜(PEM)电解槽的酸性环境。作者Weijian Shi、Shujuan Liu等强调，该方法可拓展至其他金属磷化物体系，未来通过掺杂或界面工程有望进一步逼近Pt基催化剂性能。