氫氣具有可再生、環(huán)境友好、高熱值等特點，是傳統(tǒng)化石能源的首選替代品。電化學水分解析氫反應(yīng)(HER)為電能轉(zhuǎn)化為化學能提供了一種實用而有效的途徑。與酸性介質(zhì)中的電解水相比，堿性電解槽中的析氫反應(yīng)由于其反應(yīng)條件更溫和、能量轉(zhuǎn)換效率更高，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。然而，由于在酸性電解過程中不存在實現(xiàn)初始水解離步驟(Volmer步驟: H₂O+e^–→H*+OH^–)的額外能壘，在堿性電解質(zhì)中的HER動力學比在酸性條件下慢2-3個數(shù)量級。因此，開發(fā)適用于堿性電解質(zhì)的電催化劑對于強化反應(yīng)動力學、提高傳質(zhì)效率以及以最小的過電位觸發(fā)質(zhì)子還原反應(yīng)至關(guān)重要。

近日，吉林大學楊英威和遼寧大學熊英等通過無模板法制備了一種六元瓜環(huán)衍生的IrMo納米團簇摻雜的富氮介孔碳電催化劑(IrMo-CBC)，以實現(xiàn)高效電催化水分解產(chǎn)氫。CBC基質(zhì)豐富的N含量和獨特的面內(nèi)通道不僅可以穩(wěn)定IrMo納米團簇，而且可以產(chǎn)生和暴露更多的催化界面和活性位點，從而促進氫氣的釋放。

因此，最優(yōu)的IrMo-CBC-4.2催化劑在堿性介質(zhì)(1.0 M KOH)中具有優(yōu)異的電催化活性，在10 mA cm^-2電流密度下的過電位僅為12 mV，Tafel斜率為28.06 mV dec^-1。此外，該催化劑在10 mA cm^-2電流密度下連續(xù)運行100小時而沒有發(fā)生明顯的活性下降，并且反應(yīng)后材料的結(jié)構(gòu)也未發(fā)生變化，證明該催化劑在反應(yīng)過程中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，親氧Mo位點的引入使水分子能夠快速、自發(fā)地吸附在IrMo納米團簇的Mo上，降低了水分子吸附和解離過程的自由能；同時，IrMo-CBC上Mo、Ir和N原子之間的協(xié)同作用，這可以有效地調(diào)節(jié)水吸附和解離過程的能壘，進一步促進Volmer步驟，大大提高本征催化活性。還有就是前文提到的，六元瓜環(huán)衍生的富氮CBC基質(zhì)也使IrMo-CBC具有更多的活性位點，進而表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能。

IrMo Nanocluster-Doped Porous Carbon Electrocatalysts Derived from Cucurbit[6]uril Boost Efficient Alkaline Hydrogen Evolution. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c03489