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​宁波材料所/宁波大学Nano Energy：锰掺杂NiCoP纳米阵列实现高效全水解

时间：2023-07-22 来源： 浏览：

​宁波材料所/宁波大学Nano Energy：锰掺杂NiCoP纳米阵列实现高效全水解

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电催化水分解技术是生产可再生清洁能源的关键技术之一。然而，电解水的热力学性质要求利用额外的电和有效的催化剂来驱动反应。电解水过程涉及两个半反应：阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。与HER相比，OER由于其4e转移过程而被普遍认为是电解水的关键反应。尽管贵金属催化剂在催化活性和稳定性等方面长期占据主导地位，但其高昂的成本使其难以大规模应用。此外，贵金属电催化剂不能在同一电解质中同时作为高效的HER和OER双功能催化剂，这也使得设备复杂化，进而降低了全水解效率。因此，人们已经做出了许多努力来开发具有成本效益的贵金属替代催化剂，包括硫化物、硒化物、磷化物和氧化物。
基于此， 中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄良锋和宁波大学辛星(共同通讯)等人 在泡沫镍(NF)表面原位生长制备了具有纳米阵列的Mn掺杂磷化镍钴(Mn-NiCoP)催化剂，该催化剂展现出了优异的HER和OER性能。
本文在1 M KOH溶液中利用标准的三电极体系对催化剂的OER和HER性能进行了测试。本文首先测试了NiCoP、MnNiCo-CH、Ni 2 P、CoP和RuO 2 等多种催化剂的OER性能。测试后发现，在电流密度为100 mA cm -2 时，NiCoP、MnNiCo-CH、Ni 2 P、CoP和RuO 2 的过电位分别为327 mV、404 mV、324 mV、313 mV、389 mV。对比后发现，Mn-NiCoP催化剂对OER表现出最高的催化活性，即使在高电流密度下，也只需要266 mV，300 mV和318 mV的过电位就可以分别达到100，200，300 mA cm -2 的电流密度，其过电位比其他催化剂要低得多。
此外，与其他报道的金属磷化物电催化剂相比，Mn-NiCoP催化剂在100 mA cm -2 的电流密度下也具有有竞争力的过电位。Mn-NiCoP除了具有优异的OER性能外，Mn-NiCoP还具有优异的HER性能。具体来说，Mn-NiCoP催化剂仅需148、188和223 mV的过电位即可分别达到100、200和300 mA cm -2 的电流密度，略低于NiCoP催化剂(189、221和249 mV)。
值得注意的是，经过HER测试后，Mn-NiCoP保持了完整的形貌、晶体结构和表面状态，这表明其在HER过程中具有优越的稳定性。Mn-NiCoP优异的HER和OER活性也促使本文研究人员深入研究其全水解潜力。有趣的是，Mn-NiCoP||Mn-NiCoP电解槽仅需1.62 V和1.69 V的电压即可分别达到50和100 mA cm -2 电流密度，这优于Pt/C||RuO 2 电解槽。
本文的研究和表征结果表明，Mn-NiCoP催化性能的提高可归因于几个因素：首先，NiCoP具有本征催化活性，Mn的掺杂可以提高NiCoP的表面化学活性和电子/离子转移；其次，在OER和HER过程中，NiCoP提供了良好的电子结构以及Mn的掺杂显著降低了OER反应步骤的能垒，而且纳米结构还扩大了活性表面积，促进了气体扩散，并防止了团聚。
第一性原理计算也揭示了Mn掺杂和Co合金对改进催化剂OER和HER性能的协同化学效应，这一致地解释了在各种实验中观察到的表面状态和催化性能，以及适量Mn掺杂可以避免其对催化剂HER性能的负面影响。综上所述，本研究提出了一种有前景的方法来设计掺杂过渡金属磷化物作为一种高效和稳定的双功能电催化剂用于全解水。
Mn-doped NiCoP Nanopin Arrays as High-Performance Bifunctional Electrocatalysts for Sustainable Hydrogen Production via Overall Water Splitting, Nano Energy , 2023 , DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108679.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108679.
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