Small:氧空位与核-壳异质结协同助力高性能双功能水电解催化剂

地球水资源丰富,电解水产生的氢能作为一种优质的二次能源,高效环保且助力减碳,应用广泛,目前电解水催化剂仍以价格昂贵的贵金属为主,但非贵金属基催化剂磷化物,因其优异的HER催化性能、低廉的价格备受关注,但其OER活性较差, 此外羟基氧化物CoOOH作为非贵金属催化剂也是OER反应过程中的活性物质,若将氧空位引入不仅能够优化金属中心的配位环境,并提高催化剂的电导率,加速OER中间产物的吸收更能有效提高OER性能,基于二者的优势,基于电子调控作用异质结策略有效结合两种物质的性能,设计高性能、高稳定性、非贵金属基的双功能电催化剂用于中性/碱性介质中具有重要意义。

广东工业大学-材料与能源学院李运勇教授团队,在碳纸上通过简单的水热、磷化、氧化方法原位生长富氧空位和核-壳异质结构的CoP@CoOOH电催化剂(CoP@CoOOH/CP),CoP@CoOOH/CP在中性/碱性介质中均展现优异的HER/OER和全水解性能,受益于CoP核和富氧空位CoOOH壳的协同作用,所获得的CoP@CoOOH/CP催化剂在10 mA cm-2下表现出低过电势分别用于中性和碱性介质中的HER(89.6 mV/81.7 mV)和OER(318 mV/200 mV),使用CoP@CoOOH/CP作为双功能催化剂,可现10 mA cm-2只需要中性1.65 V和碱性1.52 V的低电池电压,以及优异的稳定性100 h和140 h,且在中性和碱性介质中,均可以由商用1.5 V的AA电池驱动。

1. CoP@CoOOH/CP在中性整体水分解的电化学性能

2. 催化剂在中性介质中OER活性

3. 催化剂的DFT计算结果

DFT理论计算可知,CoPCoP@CoOOH-0CoP@CoOOHOER反应的速率决定步骤值不断降低,表明异质结与氧空位的协同作用有效提高催化剂的本征活性,其活化能值也证明了这一结果。

通过系统的实验和DFT理论计算表明,CoP@CoOOH/CP优异的催化性能来源于:(1)原位制备CoP@CoOOH的核壳异质结,同时提高了催化剂固有的HEROER性能,改善异质结的界面电荷转移以及稳定性;(2)富含氧空位的CoOOH壳调节表面氧相互作用,暴露更多活性位点,降低动力学势垒和活化能;(3自支撑结构暴露更多的活性位点,加快了HEROER催化动力学并提供强大的反应稳定性;(4DFT计算结果可知,在CoP@CoOOH催化剂中引入氧空位和异质结可以降低决速步骤的能垒并提供高催化活性,从而有效提高OER活性并加速O2析出。

文章信息:

Oxygen Vacancy and Core-Shell Heterojunction Engineering of Anemone-Like CoP@CoOOH Bifunctional Electrocatalyst for Efficient Overall Water Splitting.

Bing Zhang, Jiongwei Shan, Weilong Wang, Panagiotis Tsiakaras*, Yunyong Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106012

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106012