Advanced Functional Materials:氢氧析出电催化性能较为优异的磷掺杂石墨片

氢气因其无毒、无味、无放射性、高热值、燃烧生成水且资源丰富等独特性能,而被称为21世纪最具发展潜力的理想绿色可再生能源,在交通运输、军事及航空航天等领域都具有广泛深入的应用。随着氢气制备与利用技术不断更新,作为世界上最干净的清洁能源,氢能在世界能源结构中比重将会大幅增加。目前,氢气的制备主要有水电解、水煤气转化、烃类裂解、烃类催化转化等方法。在质子交换膜燃料电池领域,其中电解水制氢被认为是最有前途的制氢方法,因该方法获取的氢气极为纯净,无需担心催化剂中毒,可直接用于燃料电池汽车。目前电解水制氢存在的主要问题是耗电量较大,在标况下电解水所需的电压是1.23 V,但实际所用的电压却远高于此理论值,根源在于水电解时氢氧析出两电极反应(HER,OER)过电势过高。开发高性能OER和HER电催化剂是降低过电势的最有效办法,而开发高性能催化剂的前提是在原子层面识别催化剂中的活性位点。

在水电解催化前沿,近年研究表明一些含磷多元共掺杂纳米碳材料具有较好的OER和HER电催化活性,然而磷原子掺杂在其中的作用一直没有被揭示。同时磷掺杂纳米碳材料自身的氢氧析出电催化活性国际上也一直没有针对性的独立研究。为客观认识磷掺杂纳米碳材料OER和HER电催化活性并揭示其中OER和HER活性位,中国矿业大学低碳能源研究院刘滋武教授课题组通过调控温度制备一系列磷掺杂纳米石墨片,并在酸碱条件下分别考察其氢氧析出活性。结果表明碱性条件下其氧析出活性尤为突出,有的甚至超过目前最好的贵金属氧化铱氧析出电催化剂,同时酸性条件下的氢析出活性也超越大部分的多元共掺杂碳催化剂。氢氧析出活性与材料中各含磷官能团及缺陷度之间的相关性考察和密度泛函理论计算揭示其优越的OER活性主要由C-O-P官能团引起,而HER活性位则由磷的C3-P=O官能团分解以后所产生的五元缺陷直接提供。

研究者相信,此项研究将会为更为高效的碳基OER和HER电催化剂的开发提供有力的理论依据。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201910741)上