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在电催化析氢反应（HER）中，反应能垒大、电荷转移慢阻碍发展。研究人员开发 MoN@NiO 核壳异质结构，其表现出优异 HER 性能。该研究为高效 HER 电催化剂开发提供新思路，意义重大。
随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢气作为一种零排放且高热值的清洁能源，备受关注。通过水电解制氢是获取氢气的重要途径，然而，这一过程中的电催化析氢反应（HER）却面临着诸多挑战。传统的铂（Pt）基催化剂虽然在 HER 中表现出色，被视为最先进的电催化剂，但铂的稀缺性严重限制了其广泛应用。寻找一种高效且成本低廉的无贵金属催化剂，成为推动氢能实际应用的关键所在。
在此背景下，许多过渡金属基材料，如硫化物、磷化物、碳化物、硒化物等，因其在 HER 中展现出的高活性而被广泛研究。其中，氮化物由于其独特的能带结构和金属性质，在促进 HER 电荷转移方面具有巨大潜力。而金属氧化物虽能在碱性介质中加速水分子的分解，提升 HER 性能，但因其典型的半导体特性，存在带隙，导致电导率不佳，进而减缓了 HER 中的电荷转移。
为了解决这些问题，研究人员构建了一种由 MoN 纳米棒表面覆盖 NiO 纳米片的 MoN@NiO 核壳异质结构。这种结构通过 MoN 和 NiO 的耦合形成了 Mott-Schottky 结（一种由金属和半导体接触形成的界面结构，能引发电子转移和重新分布 ）。研究发现，MoN@NiO 在碱性溶液中表现出卓越的电催化 HER 活性，其过电位达到 10 mA/cm2（η??）仅需 55 mV，Tafel 斜率为 65 mV dec?1，与 Pt/C 催化剂相当，且在长期耐久性测试中表现稳定。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为开发高效、经济的 HER 电催化剂开辟了新道路。
在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。首先，通过循环伏安法（CV）在碳布（CC）上制备 MoO?纳米棒阵列，后续经过氮化和 NiO 纳米片的负载得到目标材料。此外，利用 X 射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观形貌，通过第一性原理计算从理论层面探究材料的电子结构、电荷转移以及反应能垒等关键性质。
下面来详细了解研究结果：
- 材料制备过程：以 CC 为基底，通过 CV 在 0 到 -700 mV、50 mV/s 的条件下循环 64 次，在 50 mM (NH?)?Mo?O???4H?O 溶液中制备得到 MoO?|CC，经过退火等处理后，将其作为前驱体进行氮化得到 MoN|CC，最后在 MoN|CC 上负载 NiO 纳米片，成功制备出 MoN@NiO 核壳异质结构。
- 结构与形貌表征：XRD 和 SEM 分析表明，成功制备出 MoO?纳米棒阵列、MoN 纳米棒以及 NiO 纳米片，且它们在相应基底上生长均匀，结构和形貌符合预期，为后续优异的电催化性能奠定基础。
- 电催化 HER 性能：MoN@NiO 在碱性溶液中展现出优异的 HER 性能，η??为 55 mV，Tafel 斜率为 65 mV dec?1，与商业 Pt/C 催化剂相近，说明其具有快速的反应动力学和较低的过电位，能高效催化 HER。
- 理论计算结果：第一性原理计算显示，MoN@NiO 呈现零带隙，归因于 MoN 的金属特性，这使得电荷能够快速转移。同时，相比于 NiO 和 MoN，MoN@NiO 对 HER 过程中中间体的结合强度更接近热力学中性，有效降低了反应能垒。
在研究结论与讨论部分，MoN@NiO 核壳异质结构的成功构建意义重大。一方面，其优异的 HER 性能为氢能领域提供了一种极具潜力的无贵金属电催化剂，有望推动氢能的大规模应用。另一方面，该研究揭示了合理设计金属氮化物和氧化物组成的核壳异质结构，利用其协同效应降低反应能垒、加速电荷转移的重要性，为后续开发更高效的 HER 电催化剂提供了理论依据和实践指导，指明了未来研究的方向。
