氫能作為一種能量高、潔凈的可再生能源受到廣泛關(guān)注。通過(guò)電化學(xué)水解制備氫氣是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，全水解電極催化劑的設(shè)計(jì)制備取得了矚目的研究成果。然而，尋找能在中性水電解質(zhì)中同時(shí)展現(xiàn)高活性、高穩(wěn)定性的水氧化和還原非貴金屬電催化劑仍然是電解水制氫研究領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授團(tuán)隊(duì)和高敏銳教授課題組采用簡(jiǎn)單的電化學(xué)沉積和固相磷化兩步反應(yīng)，設(shè)計(jì)并成功制備了鎳摻雜的磷化鈷（Ni0.1Co0.9P）三元納米片電催化劑。相比于純的Ni2P和CoP，摻雜后的材料在中性條件下同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的水還原和氧化電催化活性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)人員將這種三元材料作為中性水全分解電解池的陰極和陽(yáng)極，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于以商業(yè)貴金屬材料作為電極制備的電解池。研究成果以“AJanusNickelCobaltPhosphideCatalystforHigh-efficiencyNeutral-pHWaterSplitting”為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew.Chem.Int.Ed.2018,57,15445–15449），并被選為HotPaper和內(nèi)封底封面。論文的共同第一作者是中國(guó)科大博士研究生吳睿、西安交通大學(xué)肖冰教授和中國(guó)科大高強(qiáng)特任副研究員。

研究人員制備的Ni0.1Co0.9P三元納米催化劑具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于電化學(xué)反應(yīng)中的傳質(zhì)過(guò)程。在中性電解液中，其水還原電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)所需電勢(shì)為125mV，而其水氧化反應(yīng)在電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)所需電勢(shì)為1.79V，展現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C和Ir/C電催化相媲美的催化性能。機(jī)理研究表明，這種新型Ni0.1Co0.9P三元納米片相比于純的CoP結(jié)構(gòu)，Ni原子的摻雜導(dǎo)致其晶胞發(fā)生收縮，從而壓縮Co-P鍵的鍵長(zhǎng)，引起局域Co氧化態(tài)的升高。理論計(jì)算結(jié)果證實(shí)，這種Ni摻雜引起的電子態(tài)變化會(huì)降低催化劑在中性水氧化和還原反應(yīng)過(guò)程中活性位點(diǎn)與中間產(chǎn)物的吸附自由能，賦予催化劑優(yōu)異的催化性能。

圖Ni0.1Co0.9P三元納米電催化劑的水氧化和水還原催化活性及其器件性能評(píng)估

研究人員進(jìn)一步將制備的Ni0.1Co0.9P三元納米催化劑作為雙電極構(gòu)筑了水全分解電解池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在中性水電解質(zhì)中，該器件性能優(yōu)于以商業(yè)Pt/C||Ir/C為電極材料構(gòu)筑的電解池，展現(xiàn)了工業(yè)級(jí)電解水制氫的潛能。這項(xiàng)工作為發(fā)展廉價(jià)三元過(guò)渡金屬磷化物作為電極用以中性水電解制氫提供了新的研究思路，展現(xiàn)了潛在的商業(yè)應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶(hù)基金等資助。