顆粒在線訊：近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究員固體物理研究所納米材料與器件技術(shù)研究部孟國(guó)文研究員課題組與韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)合作，在過渡金屬基催化劑的設(shè)計(jì)合成及其全電解水制氫方面取得新進(jìn)展，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)調(diào)控，在碳纖維布電極上原位生長(zhǎng)制備單分散、超小尺寸過渡金屬磷化物納米晶均勻負(fù)載的氮摻雜碳分級(jí)納米片陣列，具有優(yōu)異的電催化析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）雙功能催化性能，實(shí)現(xiàn)高效全電解水制氫。

　　電解水過程的HER和OER兩個(gè)反應(yīng)過電位大、能耗高，需要高效催化劑。貴金屬鉑（Pt）和銥釕（Ir/Ru）氧化物是目前性能最優(yōu)的HER和OER催化劑，但高成本制約其規(guī)?；褂谩４送?，目前的相關(guān)研究主要集中在開發(fā)針對(duì)HER或OER的單功能催化劑，在實(shí)際應(yīng)用中需設(shè)計(jì)兩種不同類型的催化劑，增加了電解水設(shè)備的復(fù)雜性。

　　該研究采用室溫液相法在碳纖維布電極上原位生長(zhǎng)鈷鋅基金屬有機(jī)框架（CoZn-MOFs）納米片陣列前驅(qū)體，后利用Ni2+離子刻蝕CoZn-MOFs的方法合成三元過渡金屬NiCoZn層狀雙氫氧化物（CoZnNi LDHs）超薄納米片組成的分級(jí)納米片中間體，最后通過可控磷化反應(yīng)構(gòu)筑磷化物（NiCoZnP）納米晶與有機(jī)配體碳化后形成的氮摻雜碳（NC）分級(jí)納米片組成的NiCoZnP@NC復(fù)合結(jié)構(gòu)催化劑。基于CoZnNi LDHs超薄納米片中間體的自犧牲模板限域作用以及可控磷化反應(yīng)，所制備的超細(xì)磷化物納米晶均勻分布在氮摻雜碳分級(jí)納米片上，可作為電催化分解水反應(yīng)的高活性催化位點(diǎn)；超薄的氮摻雜碳分級(jí)結(jié)構(gòu)比表面高、導(dǎo)電性好，可作為磷化物納米晶的載體，促進(jìn)催化反應(yīng)過程中電荷的傳輸。此外，這種自支撐的NiCoZnP@NC分級(jí)納米片直接生長(zhǎng)在碳纖維電極上，不僅有效降低了催化劑與電極之間的接觸電阻，有利于電解液擴(kuò)散以及產(chǎn)生氣體的脫附，還大幅提高了催化劑的穩(wěn)定性。

　　在以上協(xié)同作用下，所構(gòu)筑的NiCoZnP@NC納米片陣列呈現(xiàn)出超高的雙功能催化性能。析氫反應(yīng)中，其性能接近商業(yè)化鉑碳催化劑；析氧反應(yīng)中，性能遠(yuǎn)超商業(yè)化二氧化銥（IrO2）；在全電解水時(shí)，只需1.54伏的電壓即可驅(qū)動(dòng)10mA/cm2的電流密度，表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且這種過渡金屬基催化劑的制備成本遠(yuǎn)低于商業(yè)化貴金屬催化劑。該工作所提出的催化劑制備方法具有合成工藝簡(jiǎn)單、成本低、可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽涞葍?yōu)點(diǎn)，為研發(fā)高效、廉價(jià)、穩(wěn)定的全電解水催化劑提供了新思路，在高效電解水綠色制氫領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。

催化劑示意圖。a：磷化物納米晶@氮摻雜碳（NiCoZnP@NC）分級(jí)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(jí)納米片陣列示意圖

掃描電鏡表征結(jié)果。a、b：CoZn-MOF納米片陣列前驅(qū)體，c：NiCoZn LDH分級(jí)納米片中間體，d：NiCoZnP@NC分級(jí)納米片陣列

透射電鏡表征結(jié)果：a—c：NiCoZn LDH超薄分級(jí)納米片中間體，d—e：NiCoZnP@NC分級(jí)納米片

　　HER和OER性能測(cè)試結(jié)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(xué)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(xué)阻抗譜