Small:黑磷“遇上”石墨烯,高效析氧电催化剂载体

氢能由于其高能量密度、低分子质量以及清洁无污染的优点,已成为新型清洁高效的可再生能源的理想替代。电解水析氢(HER)是常见的制氢方法,然而其效率却被析氧反应(OER)的高能垒所限制。因此,为了提高电解水制氢的能量转化效率,发展OER电催化剂成为水电解制氢技术的关键。如何设计出具有高内在活性和持久稳定性的OER电催化剂成为当前该领域的研究重点和难点。近年来,二维层状材料黑磷以其极高的载流子迁移率、可调电子结构及可观的催化活性,因此被人们认为是极具实际应用价值的各种电化学反应的潜在电催化剂。

上海电力大学环境与化学工程学院,上海市电力材料防护与新材料重点实验室徐群杰教授课题组制备了一种新型的黑磷-石墨烯异质结构材料负载非贵金属氮化镍纳米粒子材料并将其应用于电催化析氧OER反应研究,取得了重要进展。该团队通过将石墨烯首先进行KOH活化后并与黑磷纳米片复合得到了黑磷-石墨烯(BP-AG)异质结构材料,后再采用高能球磨法将氮化镍(Ni3N)纳米粒子与BP-AG球磨进行制备出高效稳定的Ni3N/BP-AG催化剂,用于电催化析氧OER反应,并研究了该材料在碱性环境下的电化学催化性能。电化学测试结果表明,在电流密度为10mA/cm2时,该材料的过电位仅为233 mV,Tafel斜率为42 mV/dec,其电化学性能远高于商用贵金属类析氧电催化剂,且具有良好的循环稳定性。值得说明的是,将黑磷与石墨烯复合所形成的异质结基底,在保护黑磷不被氧化的同时,也为反应过程中电子转移至金属活性位点提供了良好通道,有效地提高了催化剂的电催化析氧活性和稳定性。

    该工作中,电催化剂合成方法简单且成本低廉。研究者相信,此项研究将对采用非贵金属类催化剂提高制氢效率具有重要的指导意义,并为黑磷基复合材料电催化机理研究提供新的思路。该研究成果以“Nickel Nitride Particles Supported on 2D Activated Graphene-Black Phosphorus Heterostructure: An Efficient Electrocatalyst for the Oxygen Evolution Reaction”为题,发表于Small (DOI: 10.1002/smll.201901530)。文章第一作者为上海电力大学环境与化学工程学院硕士研究生王啸。