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中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與器件技術(shù)系國(guó)文孟研究員與韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)合作，近年來，在過渡金屬基催化劑的設(shè)計(jì)、合成及其全電解水制氫方面取得了新的進(jìn)展。摘要在碳纖維片電極上原位生長(zhǎng)制備了單分散、超小尺寸過渡金屬亞磷酸酯納米晶氮摻雜碳層次化納米片陣列。對(duì)析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)具有優(yōu)異的雙功能催化性能，可實(shí)現(xiàn)高效全電解水制氫。
水電解過程中HER和OER兩種反應(yīng)過電壓高、能耗高，需要高效的催化劑。鉑(Pt)和釕銥(Ir/Ru)氧化物是HER和OER的最佳催化劑，但成本高限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。此外，目前相關(guān)研究主要集中在HER或OER單功能催化劑的開發(fā)上。在實(shí)際應(yīng)用中，需要設(shè)計(jì)兩種不同類型的催化劑，增加了電解水設(shè)備的復(fù)雜性。
在本研究中，采用液相法在碳纖維布電極上原位生長(zhǎng)了cozn- mfs納米片陣列前驅(qū)體。然后，通過對(duì)CoZn-MoFs進(jìn)行Ni2+刻蝕，合成了由三元過渡金屬NiCoZn層狀雙氫氧化物(CoZnNi LDHs)超薄納米片組成的多級(jí)納米片中間體。最后，通過可控的磷化反應(yīng)，構(gòu)建了NiCoZnP@NC復(fù)合結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑由NiCoZnP納米晶碳化后形成的氮摻雜碳(NC)梯度納米晶與有機(jī)配體組成?；贑oZnNi LDHs超薄納米片中間體的自犧牲模板限制作用和可控磷化反應(yīng)，制備的超細(xì)磷化納米晶體均勻分布在氮摻雜碳梯度納米片上，可作為電催化水分解反應(yīng)的高活性催化位點(diǎn)。超薄氮摻雜碳的分類結(jié)構(gòu)高于表面，具有良好的導(dǎo)電性。它可以作為磷化納米晶的載體，促進(jìn)催化反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移。此外，直接生長(zhǎng)在碳纖維電極上的自支撐NiCoZnP@NC納米片不僅有效降低了催化劑與電極之間的接觸電阻，而且有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散和氣體的脫附，大大提高了催化劑的穩(wěn)定性。
在上述協(xié)同作用下，構(gòu)建的NiCoZnP@NC納米片陣列表現(xiàn)出極高的雙功能催化性能。在析氫反應(yīng)中，其性能接近工業(yè)鉑碳催化劑。在析氧反應(yīng)中，二氧化銥(IrO2)的性能明顯優(yōu)于工業(yè)用的二氧化銥(IrO2)。在全水電解中，1.54伏特的電壓可驅(qū)動(dòng)電流密度為10mA/cm2，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，該過渡金屬基催化劑的制備成本遠(yuǎn)低于商用貴金屬催化劑。本研究提出的催化劑制備方法具有合成工藝簡(jiǎn)單、成本低、制備規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，為開發(fā)高效、低成本、穩(wěn)定的全電解水催化劑提供了新的思路。在高效水電解綠色制氫領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
研究結(jié)果發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》上。
催化劑示意圖。a：磷化物納米晶@氮摻雜碳（NiCoZnP@NC）分級(jí)納米片陣列制備流程示意圖，b：碳纖維布電極示意圖，c：NiCoZnP@NC分級(jí)納米片陣列示意圖
掃描電鏡表征結(jié)果。a、b：CoZn-MOF納米片陣列前驅(qū)體，c：NiCoZn LDH分級(jí)納米片中間體，d：NiCoZnP@NC分級(jí)納米片陣列
透射電鏡表征結(jié)果：a—c：NiCoZn LDH超薄分級(jí)納米片中間體，d—e：NiCoZnP@NC分級(jí)納米片
HER和OER性能測(cè)試結(jié)果。a：HER線性掃描伏安曲線，b：HER塔菲爾斜率曲線，c：HER電化學(xué)阻抗譜，d：OER線性掃描伏安曲線，e：OER塔菲爾斜率曲線，f：OER電化學(xué)阻抗譜
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