氫氣作為一種高熱焓、零碳排放的能源，在未來(lái)綠色能源社會(huì)中扮演著重要的角色。通過(guò)電解水的形式將太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能等可持續(xù)能源以電能的形式轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在氫氣中是一條非常經(jīng)濟(jì)且綠色的產(chǎn)氫途徑。堿水電解產(chǎn)氫可以避免酸腐蝕電極和催化劑的腐蝕溶解，達(dá)到高效制備純氫的目的，同時(shí)也能與其它工業(yè)半反應(yīng)（氯堿化工）聯(lián)用，顯示出更廣泛的應(yīng)用前景。相比于酸性環(huán)境中質(zhì)子直接耦合電子的析氫反應(yīng)（2H+ + 2e- → H2↑），堿性介質(zhì)中質(zhì)子的缺乏需要通過(guò)額外的水電離補(bǔ)充（H2O + e- → H* + OH-），這直接導(dǎo)致其電解水析氫活性比酸性環(huán)境低2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，極大地阻礙了堿水電解析氫反應(yīng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，設(shè)計(jì)廉價(jià)且高效的堿水電解制氫催化劑具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
針對(duì)以上問(wèn)題，在合肥光源催化與表面科學(xué)線站（BL11U），中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所崔義研究員和陳志剛博士研究團(tuán)隊(duì)開展了一系列原子級(jí)含鎢/鉬催化劑材料的C K-edge和O K-edge 近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(NEXAFS)表征。在熱遷移誘導(dǎo)單原子鎢生長(zhǎng)類鉑鎢原子團(tuán)簇工作中，單原子鎢，鎢原子團(tuán)簇、碳化鎢納米晶材料與純碳基底相比，C K-edge NEXAFS的C-C π*均出現(xiàn)了明顯的寬化特征，說(shuō)明三種鎢材料均是以W 5d-C 2p軌道雜化形式穩(wěn)定存在（圖a）；在非常規(guī)偏鋁酸修飾碳化鈦基底錨定單原子Mo和CoOx團(tuán)簇（Mo-CoOx@Al-MXene）工作中，通過(guò)O K-edge NEXAF測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)Mo-CoOx@Al-MXene催化劑經(jīng)過(guò)HER反應(yīng)后，位于譜線532.2 eV的超氧根（O2-）顯著增加（圖b），這主要是由于相鄰位置氧空位出現(xiàn)導(dǎo)致的，說(shuō)明氧空位有利于電解水析氫反應(yīng)；在金屬型W/WO2固體酸催化堿性HER反應(yīng)的工作中，通過(guò)O K-edge NEXAFS測(cè)試發(fā)現(xiàn)，W/WO2復(fù)合催化劑中氧空位濃度高于兩個(gè)單體催化劑（W, WO2）（圖c），說(shuō)明復(fù)合之后，W顆粒改變了WO2局域的W-O結(jié)構(gòu)，可能在界面處產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的扭曲，進(jìn)而增加界面位置的氧空位濃度。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在國(guó)際期刊《Nature Communications》和《PNAS》上。
圖.（a）碳基底上三種不同鎢基材料與純碳基底C K-edge NEXAFS譜，（b）Mo-CoOx@MXene-Al催化劑HER反應(yīng)前后O K-edge NEXAFS譜，（c）W, WO2, W/WO2三種鎢材料的O K-edge NEXAFS譜。
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1. https://www.nature.com/articles/s41467-022-28413-6
