Advanced Energy Materials:多功能过渡金属磷化物在能源电催化中的应用

金属磷化物由于具有可调的电子结构,多变的组分构成,优异的电导率等特性,在全水分解,二氧化碳还原,锂硫电池,金属空气电池等能源领域具有巨大的应用潜力。然而金属磷化物目前的催化性能仍不能满足工业实际需要,因此建立其理论-结构-性能之间的关系对于指导金属磷化物的进一步发展和应用尤为重要。

鉴于此, 南开大学焦丽芳教授课题组从金属磷化物的合成方法,金属磷化物在氢析出、氧析出以及氧还原催化进程中的反应机理及其性能改性策略入手,阐述了金属磷化物在能源电催化领域的近期发展和面临的挑战。并将金属磷化物改性策略细致分为以下几个方面产开论述:

  • 元素掺杂:阴离子掺杂、阳离子掺杂及其阴阳离子共掺杂引发金属磷化物电子结构的变化,改善中间产物吸附自由能,从而提高催化性能;
  • 异质构造:两相异质界面强烈的电子相互作用,改善了吸附能和反应动力学;
  • 相调控:探讨单晶相,无定型相以及具有不同金属/磷化学计量比多晶相金属磷化物与其本征催化活性之间的关系;
  • 结构设计:多孔结构与新型基底的设计对催化剂性能的影响;
  • 纳米碳改性:纳米碳抑制纳米金属磷化物的团聚失活,提高磷化物稳定性,引起与金属磷化物之间的电子相互作用等研究。

借助以上分析同时辅助以理论计算,成功将金属磷化物优化的电子结构与其改性后优异的电化学性能结合起来,阐明了金属磷化物“理论-结构-性能”之间必不可分的内在联系。同时介绍了金属磷化物在全水分解,锌空气电池,锂硫电池,二氧化碳还原,有机小分子氧化等能源领域的相关应用。

文章最后分析了金属磷化物目前发展面临的挑战。包括亟需发展的原位表征技术,更加准确的理论模型构建,标准化的电极测试及催化剂性能评价标准,为金属磷化物在能源领域的发展及其远景应用提供了有效参考。

相关研究以“Multifunctional Transition Metal-Based Phosphides in Energy-Related Electrocatalysis”为题,在线发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201902104)上。