铁掺杂碳化钼催化剂通过优化反应物吸附提升析氧反应性能

针对电解水制氢中析氧反应(OER)动力学缓慢和钼基材料稳定性差的问题，研究人员开发了铁掺杂碳化钼催化剂(Fe-Mo2C@CN)。该催化剂在10 mA cm?2电流密度下仅需223 mV过电位，且在工业级电流密度(1 A cm?2)下稳定运行100小时。通过XPS和原位拉曼证实Fe优化了Mo2C电子结构并形成FeOOH活性位点，为设计高效双功能电解水催化剂提供了新思路。

　　

电解水制氢技术被视为实现绿色氢能经济的关键路径，其中析氧反应(OER)作为水分解的阳极半反应，其缓慢的动力学过程和昂贵的贵金属催化剂成为制约该技术发展的瓶颈。虽然碳化钼(Mo₂C)因其类铂的d带中心和费米能级成为优异的析氢反应(HER)催化剂，但其OER活性和稳定性始终不尽如人意——这主要源于反应过程中钼元素的溶解问题。先前研究通过钴、镍等过渡金属掺杂虽能部分改善性能，但对反应中间体吸附机制的认识仍不清晰。针对这一科学难题，来自云南的研究团队在《Applied Catalysis A: General》发表创新成果，首次设计出铁掺杂碳化钼纳米片负载碳管催化剂(Fe-Mo₂C@CN)，通过多尺度表征与理论计算揭示了铁掺杂提升OER性能的分子机制。

研究采用微波合成法制备催化剂，通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，结合X射线光电子能谱(XPS)分析电子状态变化。采用甲醇探针实验评估OH??吸附能力，借助原位拉曼光谱追踪反应过程中活性位点演变。通过电化学工作站测试催化性能，并采用分子动力学模拟阐明Fe对OH?吸附的促进作用。

Preparation of Fe-Mo₂C@CN catalyst
通过共沉淀-冷冻干燥法将铁前驱体与钼酸铵负载于碳纳米管，经微波热处理形成Fe-Mo₂C@CN复合结构。XRD显示铁掺杂未改变Mo₂C主晶相但引起晶格膨胀，表明Fe成功进入晶格。

Materials characterization
XPS证实Fe的引入使Mo 3d轨道结合能正移0.3 eV，优化了Mo₂C的电子结构。原位拉曼在1.42 V电位下检测到FeOOH特征峰，揭示Fe在反应中转化为活性相。

CONCLUSIONS
Fe-Mo₂C@CN在10 mA cm^?2电流密度下OER过电位仅223 mV，较未掺杂样品降低31%。工业级测试中，1 A cm^?2电流下稳定运行100小时后活性衰减<5%，展现出卓越的工业化应用潜力。

HIGH LIGHTS
研究首次发现铁掺杂的三重作用：①作为电子调制剂优化Mo₂C的d带中心；②形成FeOOH新活性位点；③通过增强OH?吸附提升反应物浓度。分子模拟显示Fe使OH?吸附能降低0.15 eV，显著加速OER动力学。

该研究不仅为开发非贵金属双功能电解水催化剂提供了新范式，更通过原子尺度机制解析为理性设计过渡金属掺杂催化剂奠定了理论基础。特别值得注意的是，催化剂在工业级电流密度下的卓越稳定性，使其成为目前最具产业化前景的OER候选材料之一。研究揭示的铁"三位一体"作用机制，对理解其他过渡金属掺杂体系的催化本质具有重要启示意义。