多级结构工程策略优化磷化铁钴/碳纳米管复合物的电催化水分解性能

氢气是一种比较理想的能源载体, 可用于大量存储在时间、空间尺度上非连续分布的可再生能源,如太阳能、风能和朝夕能等。电化学分解水产氢是一种非常有前景的技术方案,它可以利用由可再生能源转换的电能和地球上储量丰富的水资源来进行可控的集中氢气生产。因此,开发廉价、高性能的电催化剂用于促进阴极氢气析出和阳极氧气析出反应来提高能量转换效率是能源领域中一项极为重要的研究课题。

通常来说,优化电催化剂的表观催化活性主要有两个方面:1) 增加单位电极面积上有效催化活性位点的数量, 例如通过纳米结构化策略优化催化剂材料比表面积、插入高导电性材料(如无定型碳、碳纳米管、石墨烯等)来增加催化剂表面潜在催化活性位点的电化学可得性、在保持较好质量输运性能的前提下增加催化剂材料的负载量;2) 增强单个催化活性位点的本征催化活性, 例如催化活性位点电子结构修饰、多种活性位点协同作用等。

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基于以上启示, 南方科技大学梁永晔研究团队报道了一种多级结构工程策略来实现协同优化电解水催化剂的性能。通过两步化学合成途径,研究人员制备出了铁(Fe)掺杂的磷化钴(CoP)纳米片与碳纳米管的复合物。研究发现,这类复合物催化剂具有与标杆的金属铂(Pt)催化剂接近的氢气析出反应催化活性。研究首次发现Fe掺杂量对这类无机-纳米碳复合物催化剂在不同pH电解质中的催化氢气析出性能有不同的影响。另一方面,通过原位的电化学氧化/水解,这类复合物可以转换为Fe掺杂的羟基氧化钴/碳纳米管复合物,并展现出非常优异的氧气析出催化性能。进一步,研究人员利用这类复合材料作为正负电极的催化剂,构筑了一个简易的碱性水电解池,并证明了这种电解池可以在1.50 V的电压下以10 mA cm-2的电流密度持续稳定的进行水分解。该性能是目前水电解催化剂的最好性能之一。作为一个简单的实例,该电解池可以由单节AA干电池来驱动分解水产生氢气和氧气。

该工作突出了多级结构工程策略对于优化电催化剂催化性能的潜力。相关工作在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201606635)上。