J. Energy Chem.：酸性、中性、碱性环境下都想实现高效的析氢反应？设计三元金属电催化剂！

由电解水制备的氢气(H₂)，因其优异的能量密度和环保的可制造性被认为是传统化石燃料的潜在替代品，可以有效解决能源危机和全球变暖问题。研究人员做了相当大的努力去设计和研究高效、稳定的电催化剂，以实现能源转换。然而，对于真正的实际应用，克服与水分解反应动力学相关的能垒仍然具有挑战性，这需要比理论值更高的势能。特别是，在碱性介质中的析氢反应(HER)动力学比在酸性介质中要慢得多。这归因于其基于Volmer-Heyrovsky步骤或Volmer-Tafel步骤的多步骤反应途径，其中总动力学受到缓慢的Volmer步骤(H₂O+e^–→H_ad+OH^–)的限制。

基于此，卡迪夫大学Hou Bo和东国大学Jung Inn Sohn(共同通讯)等人设计了三元过渡金属基(MoWNiTe)催化剂，由高价非3d-Mo和W金属和亲氧Te组成，用于高效析氢。

由工作电极、Hg/HgO参比电极和Pt对电极组成的三电极装置，在1 M KOH中测试了催化剂的HER的性能。正如预期的那样，MoWNiTe仅通过72和125 mV的过电位就可以分别达到10和100 mA cm^-2的电流密度。此外，MoWNiTe在1000 mA cm^-2的高电流密度下的过电位仅为182 mV，远低于商业Pt/C(222 mV)。此外，MoWNiTe的催化活性优于MoNiTe(143@10 mA cm^-2)、WniTe(223@10 mA cm^-2)和NiTe(247@10 mA cm^-2)。令人惊喜的是，本文还分别以碳纸和石墨棒作为工作电极和对电极来评估MoWNiTe的HER性能，结果显示无论使用何种电极，MoWNiTe催化剂都具有良好的活性。

为了证明MoWNiTe在较宽的pH范围内都具有优异HER催化活性，本文还进一步在非碱性介质中测试了MoWNiTe的HER性能。使用1 M磷酸盐缓冲液(PBS，pH值~7.4)和0.5 M H₂SO₄(pH值~0.3)作为电解质，以Ag/AgCl作为参比电极。在1 M PBS中，MoWNiTe表现出最佳的HER电催化性能，在电流密度为10 mA cm^-2时，其过电位为45 mV，Tafel斜率为60 mV dec^-1，这低于商业Pt/C和其他电催化剂以及之前报道的HER电催化剂。在酸性介质中，当电流密度为10和100 mA cm^-2时，MoWNiTe也显示出优异的过电位，分别为31和54 mV，Tafel斜率分别为34和70 mV dec^-1，这比最近研究的非碱性HER电催化剂小得多，与商业Pt/C相当。更重要的是，MoWNiTe在长期稳定性测试中性能没有明显变化，展示出优异的稳定。

本文通过密度泛函理论计算，确定了催化剂在碱性介质中水解离过程的自由能。可以发现，MoWNiTe的水解离自由能为0.536 eV，显著低于NiTe(0.965 eV)。实验结果与密度泛函理论(DFT)计算结果一致，表明HER性能的提高是由于水解离自由能的降低。

因此，优化后的MoWNiTe优异的HER催化行为可以用协同效应来解释：(1)引入了高价位非3d过渡金属(Mo和W)，通过缓慢的原子扩散增加了小粒径的表面积，通过调节电子结构增强了本征催化活性，形成了富电子的低价态；(2)Te作为主要的OH^–吸附位点(OH^–↔OH_ad+e^–)，其亲氧性导致催化剂表面活性OH^*的积累，从而在碱性介质中通过双功能催化机制促进水解离。本工作为高效稳定的HER电催化剂的设计提供了见解，并为双功能机制的研究提供了新的前景。

Novel Ternary Metals-Based Telluride Electrocatalyst with Synergistic Effects of High Valence Non-3d Metal and Oxophilic Te for pH-Universal Hydrogen Evolution Reaction, Journal of Energy Chemistry, 2023, DOI: 10.1016/j.jechem.2023.02.011.

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.02.011.