高效稳定的电解水析氢催化剂:硼氮共掺杂石墨烯纳米管包覆的磷化钴纳米颗粒

进入21世纪以来,传统化石能源的枯竭与高污染带来的环境问题成为全球共同面对的挑战,开发新型清洁能源势在必行。氢具有高能量密度,其本身无毒,燃烧产物只生成水,基于氢燃料的燃料电池被认为是最有发展前景的清洁能源。电解水析氢是目前最有效的制氢方法,为降低过电势、提高反应速率,电催化剂的应用必不可少。

高效电解水需要用到昂贵的贵金属催化剂和对设备腐蚀严重的强酸性电解液,这使得高成本、低产出与安全性问题成为了主要的制约因素。因此,开发廉价、稳定、安全、高效的新型催化剂成为了当前的研究热点。电解水产氢的另一大优势在于原料来源广泛,各种酸碱性电解液,工业废水,包括海水都可作为天然的制氢原料,这就需要催化剂在全pH电解液中都表现出高催化活性。传统贵金属催化剂在酸性下活性较高,而在中性和碱性电解液中表现较差。与之相对,近年来基于过渡金属如Fe,Co,Ni或无机非金属如碳材料的新型催化剂受到了广泛关注。其中,磷化钴对析氢反应具有很好的催化活性,然而其在酸性条件下非常不稳定。纳米包覆是解决纳米颗粒稳定性的有效手段,选取合适的基底是其中关键。另一方面,近期研究表面,硼氮共掺杂的碳纳米材料具有良好的导电性和催化活性,同时其丰富的杂原子基团可为其它功能化纳米颗粒提供良好的附着点,是一种理想的基底材料。

Aenm-zouruqiang

北京大学邹如强教授课题组以钴基金属有机骨架(MOFs)为前驱体模板,设计合成了一种硼氮共掺杂石墨烯纳米管(BCN)包覆磷化钴纳米颗粒的复合材料(CoP@BCN),用作电解水析氢反应的催化剂。作为前驱体的MOFs,PEG以及硼源和氮源经均匀混合,通过共热解法一步合成Co@BCN复合材料,进一步磷化得到CoP@BCN。该方法得到的CoP纳米颗粒被保护性碳层覆盖,并包裹在BCN纳米管内,有效防止了团聚和电解液腐蚀。它在酸性、中性和碱性条件下达到10 mA cm2电流密度时的过电势分别为87,122和215毫伏,法拉第效率分别为99.5%,76.7%和88.5%,表现出了极高的电催化活性。

该成果展示了一种简单制备高效氢析出催化剂的策略,并为未来的复合型催化剂设计及解决稳定性问题提供了新思路。相关论文发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201601671),并于当期Inside Front Cover做简要介绍。