Revue de l’activité électrocatalytique intrinsèque des nitrures de métaux de transition sur HER

Un article publié le 21 décembre dans Progrès des matériaux énergétiques passe en revue les stratégies d’amélioration des activités électrocatalytiques des nitrures de métaux de transition (TMN) sur la réaction de dégagement d’hydrogène.

« La réaction électrocatalytique d’évolution de l’hydrogène (HER) produit une énergie hydrogène considérable par division de l’eau sans émission de carbone, qui joue également un rôle clé dans l’industrie du solaire photovoltaïque et de l’énergie éolienne », a déclaré l’auteur de l’article Jinfeng Sun, professeur agrégé à l’École des sciences des matériaux. et ingénierie, Université des sciences et technologies du Hebei.

« Les TMN ont été considérés comme des électrocatalyseurs de type Pt pour des structures électroniques de type Pt, entraînant des conductivités électroniques élevées, de fortes stabilités chimiques et des activités électrocatalytiques éminentes sur HER. »

Sun a expliqué que les TMN présentent plusieurs avantages significatifs en tant qu’alternative aux électrocatalyseurs HER à base de Pt, en particulier des conductivités métalliques élevées, une résistance à la corrosion et une structure en bande d de type Pt, qui sont responsables des activités HER intrinsèques.

« Bien que les performances électrocatalytiques de certains TMN se soient avérées plus efficaces que les métaux de transition d’origine et d’autres composés métalliques de transition, les activités électrocatalytiques des TMN existent encore beaucoup à améliorer en tant que candidats Pt prometteurs », a déclaré Sun.

« Ici, les stratégies d’amélioration récentes des activités électrocatalytiques intrinsèques des catalyseurs TMN sur HER par modulation de structure électronique ont été examinées, telles que la facette, l’alliage, le dopage, la vacance, l’hétérostructure ainsi que l’hybridation. »

« Les facettes anisotropes à haute énergie et les non-facettes isotropes à coordination insaturée ont accéléré efficacement les actifs intrinsèques des TMN en adaptant les structures électroniques avec le centre de la bande d près du niveau de Fermi. Par rapport à leurs homologues cristallins, les activités électrocatalytiques intrinsèques des TMN pourraient être remarquablement stimulées par l’électron modulation de la structure amorphe insaturée », a déclaré Sun.

« Mais la synthèse de contrôle des facettes souhaitées et le degré insaturé exact ainsi que la régulation de l’emplacement du site insaturé étaient très difficiles. De plus, les configurations atomiques des structures amorphes sans facettes étaient difficiles à déterminer, révélant difficilement le mécanisme HER. »

Sun a déclaré que la densité électronique de l’atome dopant était le principal facteur d’influence sur les activités électrochimiques des TMN. Le métal hétéro-dopant avec une densité d’électrons de bande d relativement faible (par exemple, V ou Nb) était la stratégie la plus efficace pour l’amélioration de l’activité intrinsèque que les autres. La stratégie était limitée par la distribution hétérogène des atomes dopants, ce qui rendait la construction du modèle et le mécanisme de réaction difficiles à explorer.

« Une densité électronique beaucoup plus élevée de Ni avec un état de valence inférieur a été redistribuée près du niveau de Fermi, conduisant à une conductivité plus élevée, une adsorption de H2O plus forte et un ∆GH* plus faible », a déclaré Sun.

« Des traitements spéciaux (par exemple, la pulvérisation magnétron et le plasma d’azote) étaient généralement nécessaires pour la synthèse des lacunes d’azote. De plus, il était difficile de contrôler la distribution uniforme des lacunes d’azote. De plus, de grandes quantités de lacunes entraîneraient une distorsion sévère du réseau et une mauvaise HER. activité pour les RGT. »

« L’électronégativité et le degré d’appariement du réseau des composants connectés directement ont joué un rôle essentiel dans l’activité électrochimique des catalyseurs à hétérostructure », a déclaré Lin. « Deux composants avec de grandes différences d’électronégativité et de structure cristalline (par exemple, Co/Co2N/CF ou Mo2N/CeO2@NF) ont entraîné des performances électrocatalytiques plus distinctives pour une cinétique de réaction plus rapide, une capacité de transfert d’électrons plus élevée et une tension de réseau plus forte. »

« Cependant, les traitements de séquence compliqués pour la synthèse d’hétérostructure ont limité son application à grande échelle.

La stratégie d’hybridation était une méthode courante pour un électrocatalyseur HER efficace pour la synthèse facile sans traitement exquis. La cinétique HER a été boostée pour les grandes différences d’électronégativité favorisant le transfert d’électrons entre les TMN et les composants hybrides. Sun a déclaré que le contrôle d’une régulation précise avec une distribution uniforme des hybridations était plutôt difficile. Et le transfert d’électrons entre les composants en contact non direct était incertain. Cela a rendu l’illustration du mécanisme électrocatalytique compliquée.

Après avoir examiné les recherches modulées par six stratégies, les TMN d’alliage et d’hétérostructure ont été les plus largement explorées pour leurs activités intrinsèques élevées, a déclaré Lin, de nombreuses hétérostructures de TMN en particulier avaient montré des surpotentiels extrêmement faibles et des slops de Tafel. L’hétérostructure de TMN a entraîné une DGH * beaucoup plus proche de zéro, une forte énergie d’adsorption de H2O et une faible énergie de dissociation de H2O.

« Bien que des percées importantes aient été réalisées pour l’amélioration des activités intrinsèques des TMN par modulation de structure électronique, il reste encore beaucoup de place pour l’application à grande échelle des TMN dans les électrolyseurs d’eau commerciaux », a déclaré Sun.

« Le développement futur des TMN est proposé pour se concentrer sur le développement de méthodes de synthèse faciles, l’élucidation du mécanisme de régulation et du mécanisme catalytique, l’amélioration de l’activité et de la stabilité. La recherche et le développement continus d’excellents électrocatalyseurs TMN sur HER devraient être effectués pour l’application évolutive dans la séparation industrielle de l’eau . »