Advanced Functional Materials:氮掺杂碳层耦合的磷化镍钴三维自支撑电极:晶相与形貌依赖的全解水性能

传统的石油和化石能源的消费引起了能源短缺、全球气温变暖和环境污染等问题,是当前人类所面临的重大挑战。在此背景下,以低能耗、低污染为基础的低碳经济正成为全球关心和研究的热点。氢气作为一种高效清洁的二次能源载体,被认为是未来人类重要的清洁能源来源。因此,开发和利用无污染的氢能源是实现低碳经济的一种重要途径。而开发无污染、低成本的制氢技术日益受到各国的高度关注。

利用间歇性能源(如风能、潮汐能等)产生的电力在电催化剂的存在下将水分解成氢气一直被认为是一种以化学键形式储存清洁能源的理想方法。传统的以贵金属尤其是铂、铱为基础的电催化剂具有很好的催化活性,但是其昂贵的价格和极低的储量限制了其实际应用。近年来兴起的过渡金属磷化物作为一种高效、低廉的非贵金属电催化剂,受到研究人员广泛的关注。然而,该类材料通常是通过简单的两步法合成,在合成过程中缺乏对材料尺寸、形貌、结构和组成的有效控制,这会严重影响传质效率并且减少活性位点的数目及活性位点的可接近性。同时,该类材料受制于合成条件苛刻无法实现大批量生产。因此,发展新型可控合成方法进行大批量制备,实现其组成、结构、尺寸和形貌可控,提高其比表面积、活性位点暴露数目和电子传导效率,进而实现其高活性和优异稳定性具有十分重要的意义。

针对上述问题,张军教授团队开发了新颖合成策略,通过低温油浴过程在泡沫镍集流体上原位生长碱式硝酸钴镍纳米墙,经低温磷化首次构筑了面积可达10 cm×10 cm以上的氮掺杂碳层封装的磷化钴镍三维自支撑集成电催化电极。同时,通过调节钴镍的化学计量比实现了磷化钴镍晶相和形貌的有效调控。相较传统磷化钴镍析氢电极,该电极展示出无法比拟的优势:(1)氮掺杂碳层可有效地防止磷化钴镍纳米颗粒团聚,促进了电荷传输;(2)三维自支撑集成电极中磷化钴镍纳米颗粒尺寸小、分散度高,有效地降低了界面电荷阻力;(3)磷化钴镍纳米颗粒与氮掺杂碳层产生强协同作用,有效地降低了其表面氢吸附吉布斯自由能,加快了电化学析氢反应动力学;(4)在电化学析氧反应中,磷化钴镍纳米颗粒可转化为钴镍碱式氧化物,有效地降低了电化学析氧反应各中间产物的吸附吉布斯自由能,加快了电化学析氧反应动力学。电催化分解水活性研究表明,NiCoP@NC NA/NF电极在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH介质中,电流密度为10 mA cm-2时的过电位仅为34 mV和37mV,在1.0 M KOH介质中,电流密度为50 mA cm-2时的析氧过电位为305 mV,组装成碱性水电解池只需要1.56V的电压即可得到10mA cm-2的电流密度。该催化剂是迄今为止报道的最好的CoP和Ni2P基全解水电催化剂之一。同时, N掺杂碳层可以有效地防止电极的刻蚀,使其在酸性和碱性介质中经过20小时析氢反应依然维持优异的催化性能,表现出非凡的催化稳定性。密度泛函理论(DFT)计算表明,NiCoP和N掺杂碳层之间的协同作用,降低了催化剂表面的吸氢吉布斯自由能,提供了大量额外的非金属活性位点,使其展示出卓越的HER活性。 该研究为设计和开发大面积、高活性、低成本的非贵金属基整体式电极提供了一种普适的方法。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906316)上。