邹晓新课题组Angew：间隙硼化物电催化剂研究新进展

在异相催化反应中，优化催化剂表面的吸附性质对于得到高效且稳定的催化剂至关重要。多元素合金，尤其是金属间化合物，由于其多样的组成和电子结构，可以通过调节其表面活性位点的局部配位环境，优化其吸附性质进而提升催化性能。近几年，在催化性能方面，金属间化合物的主要研究集中于多金属间隙化合物，而很少涉及过渡金属和硼的金属间化合物。由于硼元素缺电子的性质，过渡金属和硼的金属间化合物中结构组成和成键形式多变，适合用来揭示结构/性质关系，在各类催化反应中具有很大的潜力。然而，由于其传统的金属与硼单质的合成方法的反应条件苛刻，需要高温或者高压，难得到纯相的含硼金属间化合物。尽管许多已报道的金属-硼催化剂具有较好的性质，但由于其中大部分存在形式为无定形态，在其催化性能研究方面缺乏对金属和硼之间相互作用的理解。

基于此，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室邹晓新（点击查看介绍）课题组结合理论和实验，系统地研究了过渡金属和硼的金属间化合物（T_MB, T_M:B = 1:1）的电子结构对其表面氢吸附性质和析氢反应性质的影响，并合成出一系列纯相的T_MB。理论计算结果表明，在十五种T_MB的金属暴露表面，氢原子的吸附要弱于相应的纯金属表面（图1a）。以HER作为模型反应，氢原子吸附的减弱，使得其中几种T_MB（例如PdB、RuB和RhB）的ΔG_H*接近于0，可能具有类Pt的HER催化性质。以RuB为例，DOS和COHP计算表明，金属d轨道和硼sp轨道（d-sp）之间存在较强的杂化作用，调节了表面的d-band性质，进而降低了氢吸附强度（图1b-c）。

图1. a) T_MB表面氢吸附能和ΔG_H*；Ru和RuB的 b) DOS 以及c) COHP。

另外，理论计算结果表明，利用金属氯化盐、二硼化镁以及单质镁的镁热反应合成T_MB的反应焓远大于传统的金属单质和硼单质之间的反应，可以有效降低合成温度。并利用镁热还原反应，成功合成了七种纯相的T_MB（包括VB、NbB、TaB、CrB、MoB、WB和RuB）（图2a）。实验测试发现，在酸性溶液中，RuB在10 mA cm^-2的电流密度下过电势为22 mV，HER性能接近于Pt（图2b-c）。

图2. a） 七种T_MB XRD图谱；b,c） 电催化性质的比较。

相关工作发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者为吉林大学化学学院的博士研究生艾轩、邹旭和博士后陈辉。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Transition‐Metal-Boron Intermetallics with Strong Interatomic d–sp Orbital Hybridization for High‐Performance Electrocatalysis

Xuan Ai, Xu Zou, Hui Chen, Yutong Su, Xilan Feng, Qiuju Li, Yipu Liu, Yu Zhang, Xiaoxin Zou*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3961-3965, DOI: 10.1002/anie.201915663

导师介绍

邹晓新

https://www.x-mol.com/university/faculty/31093