清华大学Nano Energy: MoO2/Mo异质结构的制备及其HER和自发电氨气传感功能最新进展

标题：MoO₂/Mo heterostructures for hydrogen evolution reaction and ammonia sensing in self-powered mode

第一作者：Xingwei Wang

通讯作者：Xiaobin Liu, Xiaohong Zhou

第一通讯单位：清华大学

水电解制氢和氨气原位合成技术的耦合为氢能的生产和储存提供了一条可行的低碳循环技术路线。然而这两种技术的集成极具挑战性。本文中，清华大学的Xiaobin Liu, Xiaohong Zhou等人提出以还原氧化石墨烯（rGO）锚定MoO₂/Mo杂化纳米颗粒，制得MoO₂/Mo-rGO异质结构并将其用作析氢反应（HER）催化剂和氨气气敏传感薄膜。这种通过在高温下一步热解制得的MoO₂/Mo-rGO异质结构具有可调的电子结构、优秀的电解质亲和特性和接近0的吉布斯自由能。这意味着这种材料具有高的本征活性和载流子迁移率并赋予了MoO₂/Mo-rGO独特的双功能耦合特性。原位表征、密度泛函模拟和性能测试结果证实了上述结果。

作为电极材料，仅175 mV的过电位即可驱动10 mA/cm²的析氢反应并使得电流密度在约30 mA/cm²的水平保持至少25 h。同时，该材料还表现出对氨气的高精度（23.9%@15 ppm NH₃）且快速的响应/恢复（19 s/21 s @ 5 ppm NH₃）能力。该方法的材料制造成本和产率远优于工业常用的催化剂和气体探测器。进一步地，基于独立的摩擦电纳米发电机自供电模式，实现了析氢反应和氨气气敏传感的功能耦合。该方案提供了一种环保的清洁能源生产和储存模式，对于应对当前全球能源危机具有重要意义。

要点一：通过高温热解法一步制备了MoO₂/Mo-rGO异质结构。X射线近边吸收谱（XANES）等系统结构表征结果证实了MoO₂/Mo杂化纳米颗粒的生成并揭示其晶体结构、粒径分布等结构特征。

要点二：实验结果和密度泛函模拟均证实MoO₂/Mo-rGO异质结构同时表现出作为HER电极材料和氨气气敏传感材料的优异特性。

要点三：基于摩擦电纳米发电机的自供电模式，组装制得了兼具HER和氨气气敏传感功能的原型器件并对其兼容功能特性进行了研究。

图1 MoO₂/Mo-rGO异质结构的表征结果

图2 MoO₂/Mo-rGO异质结构的X射线近边吸收谱表征

图3 MoO₂/Mo-rGO异质结构作为HER电极材料的功能特性

图4 MoO₂/Mo-rGO异质结构用于HER反应路径的DFT模拟

图5 MoO₂/Mo-rGO异质结构作为氨气气敏传感材料的功能特性

图6 HER和气敏传感功能集成器件

文献出处：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108253