高效稳定的Mott-Schottky全水解电催化剂:Janus金属钴/磷化钴纳米颗粒

电化学水裂解反应,包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。为生产高纯氢气作为可持续能源提供了可行的方法。研究的核心问题是开发高效的电催化剂,借以降低电解水产氢和产氧的过电势。传统的贵金属(如Pt,Rh,Ir)和贵金属氧化物(如IrO2,RuO2)催化剂虽然具有较高的HER和OER催化活性,但稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用,利用非贵金属制备高催化效能、低成本的电解水催化材料因此成为了该领域的研究热点。研究者们已经为酸性电解质中的HER和碱性电解质中的OER设计了很多具有潜在应用价值的非贵金属电催化剂。但是,HER和OER通常发生在同一电解质中,研究可以同时催化HER和OER,且适用于多种电解质(酸性、中性、碱性)的双功能非贵金属催化剂是电解水制氢最新的热点和难点。

AENM-lixinhao

近期,上海交通大学李新昊特别研究员及其研究团队通过真空扩散法控制碳包覆的金属钴纳米颗粒的磷化程度,构筑了一种在宽pH下适用于全水解反应的双功能电催化剂。这种新型的电催化剂具有一种“两面神(Janus)”金属/半导体结构,其中金属钴充当“金属面”,而磷化钴充当“半导体面”。得益于Mott–Schottky效应,电子在金属/半导体界面可以高效传输,因此一方面提高了“金属钴”的HER活性,另一方面提高了“磷化钴”的OER活性。结果表明,在相同催化条件下(碱性为例),Mott–Schottky型金属钴/磷化钴电催化剂的HER和OER电流密度分别是金属催化剂的4.8和7.9倍。更重要的是,双功能金属钴/磷化钴电催化剂在全水解反应中具有很好的稳定性。

该研究显示,除了这些基于过渡金属纳米复合物的电催化剂的官能化和偶联之外,扩展这些电催化剂与电解质类型的相容性,从而应对不同的电解环境,也已经成为电催化领域中重要的研究课题之一。这项研究开辟了一个制备电催化剂的新途径,不仅使得制备价格低廉且稳定的产氢电极材料成为一种可能,而且可以拓展到光催化、燃料电池和有机合成的等研究领域。相关论文发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602355)上。