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中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所納米材料與器件技術系國文孟研究員與韓國浦項科技大學合作，近年來，在過渡金屬基催化劑的設計、合成及其全電解水制氫方面取得了新的進展。摘要在碳纖維片電極上原位生長制備了單分散、超小尺寸過渡金屬亞磷酸酯納米晶氮摻雜碳層次化納米片陣列。對析氫反應(HER)和析氧反應(OER)具有優(yōu)異的雙功能催化性能，可實現(xiàn)高效全電解水制氫。
水電解過程中HER和OER兩種反應過電壓高、能耗高，需要高效的催化劑。鉑(Pt)和釕銥(Ir/Ru)氧化物是HER和OER的最佳催化劑，但成本高限制了它們的大規(guī)模應用。此外，目前相關研究主要集中在HER或OER單功能催化劑的開發(fā)上。在實際應用中，需要設計兩種不同類型的催化劑，增加了電解水設備的復雜性。
在本研究中，采用液相法在碳纖維布電極上原位生長了cozn- mfs納米片陣列前驅體。然后，通過對CoZn-MoFs進行Ni2+刻蝕，合成了由三元過渡金屬NiCoZn層狀雙氫氧化物(CoZnNi LDHs)超薄納米片組成的多級納米片中間體。最后，通過可控的磷化反應，構建了NiCoZnP@NC復合結構催化劑，該催化劑由NiCoZnP納米晶碳化后形成的氮摻雜碳(NC)梯度納米晶與有機配體組成?；贑oZnNi LDHs超薄納米片中間體的自犧牲模板限制作用和可控磷化反應，制備的超細磷化納米晶體均勻分布在氮摻雜碳梯度納米片上，可作為電催化水分解反應的高活性催化位點。超薄氮摻雜碳的分類結構高于表面，具有良好的導電性。它可以作為磷化納米晶的載體，促進催化反應過程中的電荷轉移。此外，直接生長在碳纖維電極上的自支撐NiCoZnP@NC納米片不僅有效降低了催化劑與電極之間的接觸電阻，而且有利于電解質的擴散和氣體的脫附，大大提高了催化劑的穩(wěn)定性。
在上述協(xié)同作用下，構建的NiCoZnP@NC納米片陣列表現(xiàn)出極高的雙功能催化性能。在析氫反應中，其性能接近工業(yè)鉑碳催化劑。在析氧反應中，二氧化銥(IrO2)的性能明顯優(yōu)于工業(yè)用的二氧化銥(IrO2)。在全水電解中，1.54伏特的電壓可驅動電流密度為10mA/cm2，具有良好的長期穩(wěn)定性，該過渡金屬基催化劑的制備成本遠低于商用貴金屬催化劑。本研究提出的催化劑制備方法具有合成工藝簡單、成本低、制備規(guī)模大等優(yōu)點，為開發(fā)高效、低成本、穩(wěn)定的全電解水催化劑提供了新的思路。在高效水電解綠色制氫領域具有良好的應用前景。
研究結果發(fā)表在《化學工程雜志》上。
催化劑示意圖。a：磷化物納米晶@氮摻雜碳（NiCoZnP@NC）分級納米片陣列制備流程示意圖，b：碳纖維布電極示意圖，c：NiCoZnP@NC分級納米片陣列示意圖
掃描電鏡表征結果。a、b：CoZn-MOF納米片陣列前驅體，c：NiCoZn LDH分級納米片中間體，d：NiCoZnP@NC分級納米片陣列
透射電鏡表征結果：a—c：NiCoZn LDH超薄分級納米片中間體，d—e：NiCoZnP@NC分級納米片
HER和OER性能測試結果。a：HER線性掃描伏安曲線，b：HER塔菲爾斜率曲線，c：HER電化學阻抗譜，d：OER線性掃描伏安曲線，e：OER塔菲爾斜率曲線，f：OER電化學阻抗譜
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