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​华科Small：双金属磷化物异质结构与超薄碳层耦合促进碱性环境和海水环境下的全水解

时间：2023-03-11 来源： 浏览：

​华科Small：双金属磷化物异质结构与超薄碳层耦合促进碱性环境和海水环境下的全水解

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氢气(H 2 )因其高能量密度、燃烧后的产物(如水)无污染、环保等优点，被认为是一种有前景的清洁能源。通过水或更具挑战性的海水电解产生氢气被认为是有前景的和可持续发展的技术。海水电解制氢具有资源取之不尽(占水资源总量的96.5%)，可与海洋相关的可再生能源技术容易结合等优点，受到了越来越多的研究。然而，海水电解面临着一定的挑战，例如复杂的离子化学和不溶性的副产物(如Mg(OH) 2 )会降低电极的活性。更重要的是，海水中的氯离子(Cl - )会腐蚀电极。除了严重的与腐蚀相关的问题外，氯析出/氧化反应(ClER/ClOR)还与阳极析氧反应(OER)相竞争。因此，海水电解迫切需要一种高效、长期稳定、耐Cl - 腐蚀的双功能催化剂。
在此基础上， 华中科技大学王得丽等人 构建了一种具有自支撑结构的双金属异质结构电极，该电极与泡沫铁(C@CoP-FeP/FF)上的超薄碳层强耦合，实现了高效海水电解。
在碱性环境中，本文利用三电极系统测试了制备的催化剂的OER和HER性能，并与泡沫铁(FF)和CoFeP/FF进行对比。C@CoP-FeP/FF在碱性介质中达到100 mA cm -2 所需的过电位仅为297 mV，低于FF(450 mV)和CoFeP/FF(305 mV)。此外，FF、CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF的Tafel斜率分别为134.02、52.70和58.48 mV dec -1 。CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF的小Tafel斜率证实了Co的加入可以提升Fe基催化剂的OER性能。对于HER性能测试，在1 M KOH中，在100 mA cm -2 的电流密度下，FF、CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF所需的过电位分别为391、184和154 mV，表明C@CoP-FeP/FF具有出色的HER活性。
同时，在1 M KOH中，C@CoP-FeP/FF的Tafel斜率(67.23 mV dec -1 )小于FF(151.76 mV dec -1 )和CoFeP/FF(111.18 mV dec -1 )，进一步表明了C@CoP-FeP/FF具有快速的反应动力学。更重要的是，当将C@CoP-FeP/FF在模拟海水环境中进行HER/OER测试时，C@CoP-FeP/FF在100 mA cm -2 的电流密度下的过电位分别为192 mV和297 mV，展现出优异的性能。
基于在模拟海水中的双功能催化特性，将C@CoP-FeP/FF同时作为阴极和阳极进行海水电解。当电压为1.73 V时，C@CoP-FeP/FF||C@CoP-FeP/FF在模拟海水中达到了100 mA cm -2 的电流密度，略优于在1 M KOH中(1.74 V)。此外，C@CoP-FeP/FF|| C@CoP-FeP/FF在1.75 V的恒电压下，连续反应100小时后，可以保持约94%的初始电流密度，表明C@CoP-FeP/FF在模拟海水电解中具有良好的稳定性。
从实验和表征结果来看，C@CoP-FeP/FF突出的电催化性能归因于：
1) CoP和FeP异质结构之间的协同作用可以调节催化剂的电子结构，促进电荷转移，从而提高电催化剂的活性。此外，异质结构的双金属磷化物具有良好的耐氯腐蚀性能，可作为稳定的耐腐蚀材料；
2) 分层多孔的结构可以最大限度地暴露活性位点，有利于电荷和电解质的扩散；
3) 碳层不仅可以作为保护层保护CoP-FeP纳米片免受腐蚀，还可以提高导电性；
4) FF可以大大加快界面传导和传质，进一步保证了催化剂在电催化过程中的稳定性，充分发挥电极的高性能。
总之，这些综合优势导致了C@CoP-FeP/FF电极具有高效的OER/HER性能。本研究为合理设计和制造非贵金属材料作为高效的双功能催化剂用于可持续产氢提供了指导。
Bimetallic Phosphide Heterostructure Coupled with Ultrathin Carbon Layer Boosting Overall Alkaline Water and Seawater Splitting, Small , 2023 , DOI: 10.1002/smll.202206533.
https://doi.org/10.1002/smll.202206533.
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