镶嵌型CoO/CoSe2纳米复合材料用于中性介质中电催化全解水

电化学全分解水可同时产生氢气和氧气,是一种高效的制备洁净、可持续能源的技术。但目前,电解水性能优异的铂和二氧化钌等贵金属材料因储量稀少,价格昂贵等缺点限制了其大规模实际应用,因此,非贵金属基纳米电催化剂的可控合成成为一大研究热点。近年来,国内外科学家成功合成了多种材料,包括过渡金属硫化物、磷化物、氢氧化物和磷酸盐等,虽然在催化产氢、产氧性能方面取得了一些进步,但在导电性、稳定性、多功能性及合成方法等方面仍存在一定的问题。由于这些材料大多数是半导体,其相对较差的导电性和电子传输的各向异性严重地抑制了它们的电化学活性,并且它们所需要的较为复杂的合成过程和材料自身的不稳定性限制了它们进一步推广应用。此外,在温和的中性环境下能兼具优异产氢和产氧性能的双功能催化剂仍是电催化产氢领域的重要挑战。

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近日,天津大学化学系张兵教授课题组设计合成了一种新型镶嵌型复合材料,将CoSe2-DETA超薄纳米带负载于具有优异导电性的钛网基底上构成三维自支撑的高导电性催化剂,并通过将具有金属性的CoSe2表面原位部分氧化,得到CoO镶嵌在CoSe2纳米带表面的异质复合材料CoO/CoSe2这种原位转化方法简便实用,不仅使两种物质结合得十分牢固,并且保持了材料原有的维数和尺寸。研究结果表明,该催化剂在中性介质中兼具良好的催化产氢和产氧性能,具体表现为,较小的产氢、产氧过电势(产氢为150mV,产氧为320mV),较大的电流密度,在10mA cm-2的电流密度下能够保持长时间的稳定性,可同时作为阳极和阴极组成双电极体系来催化水的全分解,并且其法拉第效率接近100%等。研究进一步指出,该材料的优良活性源于以下因素:首先,将电催化材料生长在三维自支撑的基底上,直接用作工作电极进行电化学反应,多孔结构提高了催化剂与电解液的接触面积;其次,金属态的CoSe2与导电基底钛网的协同调控,极大地提升电子的传输速率;更重要的是,将两种不同的材料CoO和CoSe2通过表面部分氧化法形成镶嵌型异质催化剂,原位生成的CoO能够有效调节CoSe2的电子结构,两者之间的协同作用使催化剂在中性介质中表现出了增强的电化学全解水性能。以上研究都证明它是一种在电催化分解水方面具有一定发展前景的新型镶嵌型复合材料,同时这种原位部分化学转化法将为设计合成其他新颖的杂化材料提供的新的思路。相关论文在线发表在Adv. Sci.(DOI: 10.1002/advs.201500426)。

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