莆田學院易明杰教授/哈工大（深圳）張嘉恒教授J.?Colloid. Interf. Sci.:在Mo2CTx表面合成 N、F 和 B 共摻雜的BiOBr/Bi2Se3異質結以提高析氫反應和超級電容器的性能

• 導讀

在電化學析氫和超級電容器方向，鉍基材料是一種擁有特殊電子性質的拓撲絕緣體，具有極高的電導率和自旋-軌道耦合性質，引起了研究者們廣泛的興趣。但是由于其較差的反應動力學和不足的活性位點，使其在電化學析氫和超級電容器方向中性能的提升存在瓶頸。針對以上問題，可以考慮摻入雜原子或者形成與異質結結構，使其局部電荷分布優化，生成缺陷，從而提高鉍基材料反應動力學和活性位點數量。因此，合適的摻雜劑和異質結合成方式，成為研究者們的探索熱點之一。

• 成果掠影

近日，莆田學院的易明杰教授、哈爾濱工業大學（深圳）的張嘉恒教授和朱振業副教授，采用離子液體輔助合成法合成了N、B、F摻雜的BiOBr材料，并將其負載在Mo₂CT_x上，然后通過進一步硒化處理形成了N、B、F摻雜的BiOBr/Bi₂Se₃異質結構。雜原子的摻雜和異質結結構優化了材料的電子結構，從而降低了OH^-/H^*吸附能。在HER測試中，NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在酸性介質中表現出優異的催化性能，只需要109 mV 的過電位就能達到10 mA cm^-2的電流密度。在超級電容器測試中，當電流密度為1 A g^-1時，NBF-BiOBr/B_i2Se₃/Mo₂CT_x電極的比容量為637 F g^-1。該成果以莆田學院為第一單位以題目“Ionic liquid-assisted synthesis of N, F, and B co-doped BiOBr/Bi₂Se₃?on Mo₂CT_x?for enhanced performance in hydrogen evolution reaction and supercapacitors”發表在中科院一區期刊Journal of Colloid And Interface Science上。

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• 核心創新點

該工作以離子液體作為摻雜劑，合成了雜原子（N、B、F）摻雜的BiOBr/Bi₂Se₃異質結構，優化了該材料的電荷分布和活性位點數量，使其在析氫反應和超級電容器測試中具有優異的性能。

• 數據概覽

圖1 (a)合成示意圖；(b)Mo₂CT_x、(c)NBF-BiOBr、(d)NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、(e)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的SEM圖像；(f)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的元素映射圖像；(g)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x與NBF-BiOBr/Mo₂CT_x的XRD圖像；(h)BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的水接觸角；NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的(j, k)TEM圖像、(l)高分辨率TEM圖像。

圖2 ?NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x(a)Bi 4f、(b)Br 3d、(c)O 1s、(d)Se 3d、(e) B 3d、(f)N 1s、的XPS圖譜。

圖3 ?NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、BiOBr/Mo₂CT_x在0.5 M H₂SO₄中的(a)HER極化曲線；(b)Tafel圖、(c)計算的電化學參數；(d)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在不同掃描速率(10–100 mVs^-1)下的色譜圖，用于估計0.5 M H₂SO₄中的C_dl和相對電化學活性表面積；NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x在0.5 M H₂SO₄中(e)的C_dl和標準化電化學活性比表面積以及(f)用ECSA歸一化的LSV曲線；(g)在-10mA cm^-2的電流密度下，NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x上產生的氣體的測量和計算量；(h)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x與參考電催化劑在酸性溶液中的HER超電勢的比較；(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在0.5 M H₂SO₄中1000次循環伏安(CV)循環前后的極化曲線；(j)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在-10 mA cm^-2下在0.5 M H₂SO₄中36小時后的循環穩定性；(k)HER后的SEM圖。

圖4 ?(a)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在不同掃描速率(5–100 mVs^-1)下的CV曲線；(b)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的CV曲線對比；(c)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在不同掃描速率(1–20 Ag^-1)下的GCD曲線；(d)CP對比曲線；

NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的(e)倍率性能對比、(f)EIS性能對比圖、(g)循環穩定性；(h)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x循環后的SEM圖；(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x與參考電極材料的容量比較。

圖5 (a)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的球桿模型；(b)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的電子密度插差圖；(c)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、(d)BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、(e)NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 (f)NBF-Bi₂Se₃BiOBr/Bi₂Se₃、(g)BiOBr/Mo₂CT_x的總態密度(TDOS)；(h)H*吸附后五種材料的球和棒模型；(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x反應能量學；(j)OH^-吸附后五種材料的球和棒模型；(k)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的E_OH-值。

• 成果啟示

在這項研究中，我們利用離子液體輔助合成法制造了一種NBF-BiOBr/Bi₂Se₃異質結構，并將其負載到Mo₂CT_x上。異質結的形成和雜原子的摻入調節了界面電子結構，從而降低OH^-和H^*的吸附能。由于這些優勢，NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在HER和超級電容器測試中都表現出了優異的性能。這種離子液體輔助合成方法同時實現了雜原子摻雜和異質結的形成，為制備先進催化劑和電極的開發提供了指導意見。