Advanced Materials:界面工程调控固相合成W2N/WC异质结的ORR, OER, HER三功能电催化性能

目前的能源危机和环境污染引起了全球高度关注,所以开发绿色洁净能源/材料成为了全世界高度关注的热点课题。目前商业化的催化剂具有较高的催化活性,但是其高成本和低的含量限制了其大规模应用。基于这种考虑,迫使科学家通过有效的合成策略来探索低成本,高性能的新型电催化剂,就显得非常关键也具有挑战性。以前报道的工作表明:界面工程已经成为改善电催化活性,选择性和稳定性的最有效方法之一。然而,传统构筑异质界面采用外延生长方法,构建过程中,需要精确控制衬底的晶体面和外延界面,此过程工序繁杂,产量低,阻碍了其在工业生产中的发展。因此,借助界面工程来构筑具有丰富界面的异质结构电催化剂仍然是一个大的挑战。

近日,西北大学郭晓辉教授课题组开发了一种简单可控固态合成策略,来构建W2N/WC异质结构的界面工程。在高温(800 oC)下,来自双氰氨和二氰二胺的挥发性CNx物质被WO3纳米棒捕获,然后同时氮化和碳化,从而形成一种新型的W2N/WC异质结构电催化剂,这种催化剂表现出突出的ORR, OER,HER三功能的电催化特性,相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905679)上。

我们制备得到的W2N/WC异质结电催化剂具有较高ORR,OER和HER的电催化性能,半波电位为0.81 V(ORR),在10 mA cm-2下的低过电势320 mV(OER)和148.5 mV(HER)。基于W2N /WC异质结材料构建的全解水装置在 10 mA cm-2测试条件下同时进行析氢和析氧工作24小时,其电催化性能基本保持不变。此外,其组装的Zn-空气电池的比能量和功率密度分别达到749 mAh gZn−1和172 mW cm-2,这些实验结果比目前商业化催化剂报道的性能要好。此外,密度泛函理论(DFT)计算和X射线吸收精细结构分析计算表明:W2N/WC界面协同促进电荷的传输和分离,提高了材料的导电性,调控表面电子态能量分布,加快了电荷的传输,改善电化学ORR,OER和HER行为。这项工作为构筑低成本,高效能的新型电化学能源转化设备提供了可行的研究思路和解决方案。