以下文章来源于科学材料站 ，作者杨军等

文 章 信 息

间隙氢原子增强氧化钨对析氢反应的本征催化活性

第一作者：杨军

通讯作者：杨军*

单位：陕西科技大学

研 究 背 景

氢能作为缓解传统化石燃料导致的能源短缺和环境恶化的有效解决方案，因其清洁性和可持续性而日益受到关注。电催化分解水被认为是获得高纯氢气的一种高效清洁的方法。在非贵金属化合物中，氧化钨由于其突出的优点而被认为是有前途的候选物。尽管如此，由于强的氢吸附能和差的导电性，氧化钨实际上表现出不令人满意的本征催化活性。因此，采用合适的方法对氧化钨进行结构设计，使其作为潜在的非贵金属基HER催化剂是具有十分重要的意义。

文 章 简 介

基于此，陕西科技大学材料学院杨军副教授在Small上发表题为“Interstitial Hydrogen Atom to Boost the Intrinsic Catalytic Activity of Tungsten Oxide for Hydrogen Evolution Reaction”的文章。该工作提出了一种新的间隙原子缺陷模型，通过优化表面氢吸附能来提高WO3的本征活性。当小尺寸氢原子进入WO3的间隙晶格位置时，间隙氢与晶格氧之间的强相互作用可以显著降低活性W中心d轨道的电子密度分布，从而减弱WO3对氢的吸附能，最终实现析氢性能提高。

图1：TOC图

本 文 要 点

要点一：合成了H0.23WO3/rGO电催化剂

通过在N2气氛下对有氧化石墨参与的钨酸铵进行简单的退火，成功地实现了氢原子插入到氧化钨（H0.23WO3）的间隙位点上。在晶体学构型中，氧化钨具有由WO6八面体通过角共享和边共享形成的类钙钛矿状结构，并且根据 WO6八面体的旋转方向和倾斜角度不同可以形成多种晶体结构。当H+插入到m-WO3扭曲晶格中的间隙位置时，被接近规则的WO6八面体包围后，原本W-O-W键的角度由约为165°到179°变成了180°，并且质子插层后改变了WO6八面体的旋转方向，促使其在相同的煅烧温度下，由单斜晶系转变成四方晶系。通过X射线衍射（XRD）确认所制备样品的晶体结构。

图2. H+插入间隙位引起的单斜相WO3向四方相H0.23WO3的结构转变以及 H0.23WO3/rGO和WO3/rGO的XRD图谱

要点二：H0.23WO3/rGO电催化剂的结构表征

XRD图谱为鉴定H0.23WO3/rGO的晶体结构提供了关键证据。此外，HRTEM和FFTs结果清楚地表明了H原子插入WO3晶格前后晶体结构的差异。WO3中的间隙H原子插入必然会产生过量的W-OH基团，并导致用于电荷补偿的W的化学价的降低，这已通过本文中的FTIR、拉曼和XPS结果得到证实。

图3. H0.23WO3/rGO电催化剂的结构表征图谱

要点三：H0.23WO3/rGO电催化剂的HER性能

图4. H0.23WO3/rGO电催化剂的HER性能

H0.23WO3/rGO电催化剂在酸性介质中表现出明显的高活性和低过电位，与WO3/rGO对比样品（182 mV）相比，驱动10 mA cm-2的电流密度只需33 mV。更重要的是，这种高活性的H0.23WO3/rGO催化剂显示出惊人的稳定性，在高氢气量输出的情况下，它可以连续工作200000秒而不发生衰减。

要点四：DFT计算结果

DFT计算表明，间隙氢原子与H0.23WO3中的晶格氧有很强的相互作用，降低了表面活性W位的d轨道的电子密度分布。因此，与WO3相比，H0.23WO3表面活性位点电子密度的降低导致了更低的氢气吸附能和更弱的W-H键，从而充分促进了催化剂表面活性H*中间物的快速解吸。因此，H0.23WO3催化剂可以实现更有利的动力学，并对HER具有良好的催化活性。

图5. DFT理论计算分析

文 章 链 接

Interstitial Hydrogen Atom to Boost Intrinsic Catalytic Activity of Tungsten Oxide for Hydrogen Evolution Reaction.

DOI：10.1002/smll.202207295

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207295

通 讯 作 者 简 介

杨军，博士，副教授，硕士生导师，陕西省百人计划（青年项目）获得者，陕西科技大学青年拔尖人才。2016年毕业于复旦大学获得理学博士学位，随后进入陕西科技大学材料科学与工程学院工作。主要从事电化学能量存储与转换关键材料结构与性能研究（包括高比能锂（钠）离子电池正极材料，低成本高效电催化剂）。曾获第八届黑龙江省优秀硕士论文、第六届中美华人纳米论坛优秀墙报奖、复旦大学优秀博士生奖等多项奖励。

主持国家自然科学基金项目2项、青海省重点研发计划国际合作项目1项；参与国家自然科学基金-重大研究计划（培育）、国家自然科学基金（青年）等4项。在Small，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of the Electrochemical Society等材料和电化学领域主流期刊上发表SCI论文40多篇，其中封面论文2篇，ESI高被引论文2篇。

转自：“蔻享学术”微信公众号

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