Small:在等离子体造缺陷处理的碳载体上激发桑葚状镍铌磷化物用于高性能电催化析氢

由于氢燃料的高热量值和无碳排放的优点,被广泛认为是最有前途的清洁能源,可用于解决能源短缺的问题。然而,由于工艺工程(如工艺开发)成本和催化剂(如催化电极)成本较高,如何实现产氢电催化剂的工业化仍然是一个具有挑战性的问题。由此延伸出的碳载体是最具工业可行性的电催化支撑材料之一,但由于碳基材料较低的表面能致使形成的电催化剂稳定性较差,在碳布和其他碳载体上开发含有分离的双金属化合物相的电催化剂仍是一个巨大的挑战。因此,设计一种工艺以增强催化剂与碳载体的粘附、控制生长混合相过渡金属化合物,识别催化活性位点和优化催化剂的质量负载,能为实现工业催化提供理论基础和可行的实验解决方案,必将大大推动新能源电极材料的研发速度,早日实现相关技术的产业化而造福人类。

近期,浙江理工大学材料科学与工程学院陈光良教授和合作者针对这一问题通过对碳纤维布载体进行等离子体造缺陷工程处理,在碳纤维上合成了纳米桑葚状的富含双相异质界面的镍铌磷化物催化剂,实现了在碱性条件下高活性高稳定性电解水制氢,为相关技术的产业化发展提供了实验和理论基础。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.202004843, Featured in Inside Back Cover)上。

研究团队首先利用大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体在碳布(CC)上制造缺陷得到PCC,经过简单的水热法在PCC上合成出镍铌氧化物前驱体,后采用化学气相反应成功制备了Ni12P5-Ni4Nb5P4双相纳米结构,且具有丰富的异质界面。实验表明,Ni12P5-Ni4Nb5P4/PCC具有优异的HER活性,在电流密度为10和500 mA cm−2时,其过电势分别只有81和287 mV,Tafel斜率为64.2 mV dec-1。在电流密度达到615 mA cm-2时,其所需过电势低于商用Pt/C。这是由于DBD等离子体处理可以使催化剂与载体之间建立牢固的结合,不仅提高了催化剂的整体稳定性,还有利于使催化剂表面与电解质溶液充分接触,加快电子转移速率,降低欧姆接触阻抗。而独特的桑葚状纳米结构又提供了高比表面积和丰富的异质界面,该镍铌磷化物具有丰富的催化活性位点,有利于活性物质的吸附与活化,可以加快催化进程中的传质过程。此外,研究者通过DFT模拟了Ni12P5-Ni4Nb5P4界面上的HER过程,表明Ni12P5相和Ni4Nb5P4相之间形成的异质界面降低了氢吸附自由能,提高了Ni-Nb金属基磷化物在HER过程中的协同效应,使其动力学过程加快。这项工作提供了一种全新的碳纤维表面电催化剂构建方法,有利于促进电催化水裂解制氢领域的发展及产业化进程。