钼基金属氧化物的改性及其电催化产氢机理研究

As a new kind of clean energy preparation technology, electrocatalytic hydrogen generation technology has attracted extensive attention. It is necessary to load catalysts to reduce the reaction barrier of hydrogen evolution and hydrogen reduction overpotential in order to save energy consumption. How to replace the traditional noble metal catalysts such as platinum with metal oxides is the precondition for large-scale application of industrial hydrogen production and the research hotspot in this field. Molybdenum oxide has the advantages of easy preparation, stable structure, low cost and environmental friendliness. It was found that molybdenum oxide modified by special synthesis method had good catalytic activity and stability of hydrogen production. However, the hydrogenation mechanism of molybdenum oxide is still unclear, and its catalytic performance needs to be further improved. Based on the problem mentioned above, this project intends to study the microstructure and physicochemical property of different modified molybdenum based oxides through hydrogen reduction, sodium borohydride reduction and low-energy ion beam irradiation. Combined with the advanced ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy technology and theoretical calculation, the catalytic surface interface under reaction conditions was studied in situ, and the catalytic mechanism of hydrogen production in different systems was explored, providing new approach for optimizing structural design and improving material properties.

电催化产氢作为一种重要的清洁能源技术，受到了广泛关注。其关键问题在于是否可以找到廉价有效的电极催化剂材料来减小产氢反应势垒、降低氢还原过电势。如何用金属氧化物来取代传统的贵金属催化剂如铂等，是工业制氢大规模应用前提和这一领域研究的热点。钼基金属氧化物具有易于制备、结构稳定、成本低廉和环境友好等的优点。申请人的前期研究发现，通过特殊合成方法改性的氧化钼具有良好的产氢催化活性和稳定性。但其产氢机理尚不明确，且其催化性能也有待进一步提升。基于上述问题，本项目拟通过氢还原、硼氢化钠还原、低能离子束辐照法等不同方法来调控钼基金属氧化物的组分、表界面及缺陷浓度等；并结合先进的近常压光电子能谱技术等原位表征手段和理论计算，在原位反应条件下研究催化剂表界面、精确探究本体系电催化产氢机理。力争为优化产氢电极的设计、提升催化材料性能提供新途径。

电催化产氢作为一种重要的清洁能源技术，其关键问题在于是否可以找到廉价有效的电极催化剂材料来减小产氢反应势垒、降低氢还原过电势。钼基金属氧化物具有易于制备、结构稳定、成本低廉和环境友好等的优点，受到广泛关注。本项目从钼基金属氧化物出发，通过采用不同的制备和改性方法，调控钼基金属氧化物的表界面组分/结构、缺陷空位、电子结构等的影响，揭示钼基金属氧化物的改性调控机理，结合原位表征和理论计算研究表界面结构、缺陷等物理化学性质与产氢催化性能之间的构效关系，探索其电催化产氢反应机理。研究发现：（1）钼基金属氧化物的缺陷引入可以降低材料带隙，提高电催化产氢过程的电荷传输能力、降低电子转移能垒，进而提高了催化活性。（2）钼基金属-氧化物表界面的构筑，有利于氢从钼金属表面溢流到氧化钼表面，氧化物表面氢覆盖度的提高导致氢吸附自由能降低，进而优化了电催化产氢反应路径。（3）通过多级金属-氧化物界面的合成设计，构筑具有更高活性和电解环境稳定性的金属-氧化物活性表界面，从而调控催化剂表面OH吸附能和H吸附能/H2脱附能，加快催化剂表面水的吸附和解离，进而提高电解水催化活性。（4）通过多元金属掺杂，调控金属-氧化物复合材料的电子结构，同时提高催化剂在电解过程的抗氧化/抗溶解能力和电荷传输能力，以促进电催化产氢的高效发生。基于上述研究，我们建立了钼基金属氧化物复合材料的表界面组分、结构、缺陷等表界面性质对于电催化产氢之间的构效关系，加深基于金属氧化物、金属-氧化物等多种复合界面对于电催化产氢反应作用机制的理解，为优化高效过渡金属产氢催化剂设计提供思路。