三元Co-P-Se多孔纳米片:新型高效光电催化水裂解材料

电化学/光电化学水裂解制氢气和氧气是一种被广泛认可能将电/太阳能直接转化为清洁氢能燃料最具有潜力的途径之一。在众多电催化剂中,Pt基贵金属催化剂是现如今最有效的电催化水裂解制氢气材料,但其价格和资源上的劣势极大地阻碍其大规模商业化应用。为了找寻具有高催化活性且价格低廉的电催化制氢材料,大多数研究重心都放在如何构建在酸性条件下具有良好催化活性的过渡金属化合物材料。然而,基于水裂解实际情况的应用,通常只有在碱性电解液中实现电催化全裂解水制氢气和氧气的催化材料才更有希望获得商业化大规模应用。此外,为了能够高效地利用太阳能,电催化材料需要进一步整合到光电极上实现光电驱动催化全裂解水。但是由于电极与电催化剂之间化学相容性的问题,目前只有少量电催化材料被成功地整合到光电极上。

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近期,德国德累斯顿工业大学冯新亮教授研究团队通过简单的两步法,构建出一种新型三元Co-P-Se多孔纳米片材料并将其应用于高效电化学/光电化学水裂解制氢气。在该两步法中,首先采用氢化反应在水热合成的Co0.85Se纳米片中原位引入Se缺陷;然后通过进一步磷化反应取代Se缺陷附近的部分Se原子,从而将P原子成功地引入到具有Se缺陷的Co0.85Se纳米片中。所制备的三元Co-P-Se多孔纳米片展现出独特的层状结构,其厚度在16.4到18.7 nm,长度大约为几百个纳米。得益于增强的电导能力、高比表面积(74 m2 g1)和多原子协同作用,原位生长在电化学剥离石墨烯表面的三元Co-P-Se多孔纳米片电极在碱性条件下表现出优异的电催化水裂解制氢气的活性和稳定性。在电流密度为10 和20 mA cm2时,其过电势分别达到150 和180 mV。该优异的电催化性能远超于多数过渡金属硫化物材料(如Ni3Se2, CoSe2, and CoS2)。理论计算表明,这种三元Co-P-Se多孔纳米片上的Se缺陷和缺陷附近的P原子对其邻近的Se和Co原子的电子结构及纳米片表面的质子动力学性质具有协同调制作用,以此提高其电催化水裂解制氢气效率。将该三元Co-P-Se多孔纳米片电极作为双功能电催化剂在碱性条件下全裂解水制氢气和氧气,电流密度为10 mA cm2时的过电势达到1.64 V。电催化性能也优越于很多商业化的电催化复合材料(如:Ir/C和Pt/C)。此种三元Co-P-Se多孔纳米片还能够被选择性地整合到大孔硅光电极上,实现了高效地光电驱动水裂解制取氢气。

该研究不仅研制出一种新型二维三元多孔过渡金属化合物电极材料,而且还为高效固氮合成氨,二氧化碳还原和氨氧化等具有多种电化学/光电化学应用催化材料的合理设计提供了潜在的思路。相关工作已发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201701589)上。