Small Methods:高性能水分解双功能电催化剂—堆叠CoS1−xPx核-壳异质纳米片

水分解过程中阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)不可避免的高过电位大大限制了水分解器件的能量转换效率。因此,开发高效的非贵金属催化剂以降低反应过电势对实现高性能水分解器件至关重要。受热力学限制,大部分HER电催化剂在强酸性条件下表现出好的催化性能,而OER电催化剂往往在碱性介质中表现出最佳的活性。因此,获得高活性HER和OER双功能催化剂是极具挑战性的。

过渡金属磷化物和硫化物虽然对HER和OER具有双功能催化的潜力,但是其相对较低的本征活性和有限的活性位点阻碍了其进一步的发展。通常,采用化学成分修饰,特别是阴离子掺杂是改变本征活性和提高催化活性位的有效策略。具有不同电负性的阴离子配体通过调节主体材料的电子结构,从而提高催化剂的固有性能;此外,形成异质结构也是提高催化活性的有效方法,所形成的异质界面不仅可以为HER和OER提供多种功能活性位点,也能实现不同组分之间的快速电子转移。然而,金属磷化物/硫化物的低电导率通常导致低活性和低稳定性。

为了平衡催化活性、电导率和稳定性三者的关系,实现高性能水分解反应,近期,韩国延世大学Jooho Moon(通讯作者)团队通过形貌与结构工程的方法构筑了一种新型的3D金属磷/硫化物异质结构,并与N掺杂的非晶碳复合,发现得到的复合材料展现出优异的HER和OER双功能催化活性。该3D异质结构由堆叠的2D CoS1−xPx核-壳纳米薄片组成,核-壳结构中的元素组成和相结构可以通过液相硫化和磷化来控制,从而在核-壳之间创建明确的界面。优化后的CoS0.46P0.54核-壳催化剂由CoP /Co3S4壳包裹的CoP核组成,其在1 M KOH电解液中对HER和OER的过电位极低,在10 mA cm−2电流密度下分别为101和302 mV,同时在超过40小时的运行中表现出非常高的稳定性。其中,高导电性的N -掺杂碳层可以用来改善电子的传输,同时防止CoS1 – xPx相在长期操作过程中被溶解。此外,CoS0.46P0.54电极可以同时作为阴极和阳极催化剂,表现出良好的整体水分解性能:电流密度为10 mA cm−2时的电压为1.62 V,并能稳定工作50 h。

相关成果以“Hierarchically Structured Bifunctional Electrocatalysts of Stacked Core–Shell CoS1−xPx Heterostructure Nanosheets for Overall Water Splitting”为题在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000043)上。