高效双功能水分解电催化剂:三级结构的三元金属磷化物

能源与环境是制约人类社会发展的关键性难题,生产清洁高效可持续的能源是解决该问题的关键,也是促进社会进步历久而弥新的努力方向。通过电化学方法将水分解为氢气和氧气是生产清洁能源,解决能源和环境问题一种行之有效的方法。在反应过程中,良好的催化剂能有效降低水分解所需要的能量势垒。在诸多催化剂中,过渡金属磷化物是综合性能佳、应用前景广泛的水裂解电催化剂。其可以替代昂贵且稀缺的贵金属基催化剂,促进电化学水分解的商业化应用。但是导电性低、活性表面积受限以及长期稳定性差等问题限制了其优异潜能的发挥。合金化过程是一种有效的方法去探索多相催化剂潜在的功能以及协调它们的表面特性,如电子结构、协同耦合效应和润湿性等,从而实现高效率和长期稳定性的双赢。

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近日美国西北大学NUANCE中心吴劲松博士和哈尔滨工业大学徐成彦教授合作,利用电沉积技术设计了一种具有独特三层分等级结构的双金属磷化物Ni1-xCoxP,实现纳米片、纳米球以及球型颗粒的层层自组装。这种分等级结构具有很高的活性表面积,而且能有效维持外部催化剂与导电基质之间的亲密接触防止活性催化剂的堆积,使之保持较好的稳定性。此外,通过控制电解液中不同金属组分的浓度,可以实现对三元合金化学组成的有效调节,进一步实现对其电子结构的调控。该研究发现,Ni0.51Co0.49P具有最高效的电催化活性。在碱性条件下,其产氢和产氧所需要的过电势(10mA cm-2)分别为82 mV和239 mV,其性能超过大多数已报道的双功能催化剂。作者认为如此高效的性能得益于双金属原子之间的协同效应,通过电子结构的优化促进电荷传输以及降低H或O吸附能,从而有效降低催化反应的能量势垒。相关结果在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201603727)。