原創(chuàng) 許瀚文等 科學(xué)材料站 2021-10-08
文 章 信 息
用于高效電催化水分解的 Fe-Co-P 多異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列
第一作者：許瀚文
通訊作者：木士春*
研 究 背 景
為解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和化石能源危機(jī)，以及達(dá)到2050年左右碳中和的目標(biāo)，人類社會(huì)迫切需要?dú)涞惹鍧嵞茉?。在不同的制氫方法中，水電解制氫是較為成熟的方法之一。然而，電解水制氫過(guò)程中的兩個(gè)半反應(yīng)，即陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）和陰極析氫反應(yīng)（HER）動(dòng)力學(xué)過(guò)程緩慢，特別是前者，嚴(yán)重降低了水電解效率。目前，最好的水電解制氫催化劑仍是Pt 族貴金屬材料。為了降低電催化分解水的能耗和成本，開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、高效的雙功能非貴金屬電催化劑成為人們的研究熱點(diǎn)。
文 章 簡(jiǎn) 介
基于此，武漢理工大學(xué)木士春團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙功能催化劑（Fe-Co-P/NF）， 用于在堿性條件下高效驅(qū)動(dòng)水電解解制氫。文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算證明了這種多異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)局部電子結(jié)構(gòu)，改善反應(yīng)中間體在活性位點(diǎn)上的吸附。因此，在沒(méi)有貴金屬的情況下，所制備的 Fe-Co-P 多異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑表現(xiàn)出非常高的催化性能。
圖1. 圖文摘要。
文 章 要 點(diǎn)
要點(diǎn)一：使用獨(dú)特的自犧牲模板法合成了Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)
本文使用自犧牲模板法，構(gòu)筑了Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)。首先在泡沫鎳基底上合成了堿式碳酸鈷（CoCH）作為自犧牲模板以生長(zhǎng)CoFe PBA陣列作為前驅(qū)體；隨后將前驅(qū)體在350℃下磷化，獲得最終的Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)（Co2P-FeP、CoP-FeP、Co2P-CoP）催化劑。
圖2. Fe-Co-P/NF催化劑的制備流程示意圖。
要點(diǎn)二: 通過(guò)結(jié)構(gòu)表征證明了Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在
通過(guò)XRD測(cè)試證明了產(chǎn)物中包含CoP, Co2P, FeP物相；并通過(guò)觀察TEM 高分辨圖像中的晶格條紋與兩相界面，進(jìn)一步證明了產(chǎn)物中存在Co2P-FeP、CoP-FeP、Co2P-CoP等異質(zhì)結(jié)構(gòu)；如SEM圖像所示，得到的Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑具有開(kāi)放的層次結(jié)構(gòu)與獨(dú)特的三維形貌，可有效增加活性面積。XPS測(cè)試進(jìn)一步表明Fe與Co之間存在電荷轉(zhuǎn)移；這些特征有利于提高材料的電催化活性。
圖3. Fe-Co-P/NF催化劑的結(jié)構(gòu)表征。
要點(diǎn)三：催化劑具有優(yōu)異的HER,OER與全水解活性
制備的 Fe-Co-P 多異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能：僅需要 227 mV 和 87 mV 即可達(dá)到 OER 和 HER 的 20 和 10 mA cm-2 的電流密度，優(yōu)于報(bào)道的大多數(shù)相關(guān)催化劑此外，當(dāng)用于堿性電解槽時(shí)，它在 1.55 V 的電壓下可以提供 10 mA cm-2 的電流密度，優(yōu)于商用 Pt/C-RuO2催化劑 (1.59 V), 并具有接近100%的法拉第效率。
圖4.Fe-Co-P/NF在堿性介質(zhì)中的電催化活性。
要點(diǎn)四：探究了Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異催化性能的內(nèi)在機(jī)理
通過(guò)理論計(jì)算，證明了構(gòu)建Fe-Co-P多異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)反應(yīng)中間體（*H, *OH, *O, *OOH）在活性位點(diǎn)上的吸附此外，F(xiàn)e的引入造成了Co和Fe之間的電荷轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)了局部電子狀態(tài)。這些因素是催化劑具有優(yōu)異性能的內(nèi)在原因。
圖5.(a)不同組分催化劑的氫吸附自由能圖。（b）不同組分在堿性條件下對(duì)*OH, *O, *OOH的吸附自由能。（c） Fe-Co-P的差分電荷密度計(jì)算。
文 章 鏈 接
Fe-Co-P multi-heterostructure arrays for efficient electrocatalytic water splitting
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA06603J#!divAbstract