中科院深圳先进研究院喻学锋Angew. Chem. Int. Ed.: 平面黑磷/二磷酸盐异质结构的高效电催化

【引言】

黑磷（BP），作为一种具有二维层状结构的直接带隙层状半导体材料，因其优异的光学和电学性能被视为新的“超级材料”，在半导体工业、光电器件、光学探测、生物医药等多个领域展现出巨大的潜在应用价值。随着液体剥离技术的进步，单分散BP纳米片已经被合成，用于锂离子电池、光伏、传感和催化等方面。由于其表面积大，电荷载流子扩散路径长，载流子迁移率较高，使得BP纳米片可以作为水电解的电催化剂，产生氢气和氧气。但是BP的稳定性很容易受到影响，例如单分散BP纳米片的制备需要通过长时间的超声处理或剪切剥离，在此期间BP层逐渐裂开，在边缘和表面产生缺陷。这些缺陷不仅导致BP纳米片的快速降解，而且还破坏了其导电性和电化学活性，因此在许多应用中，特别是在长期催化中仍存在着一些问题。

【成果简介】

近日，中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋教授（通讯作者）团队联合香港城市大学设计了一种简单的溶剂热方法，通过在BP纳米片上的缺陷边缘选择性地生长Co₂P来合成二维黑磷/磷酸二钴(BP/Co₂P)异质结构。Co₂P的引入不仅改善了缺陷，而且还提供了有效的电催化位点，提高了析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中的电催化活性。(BP/Co₂P)异质结构纳米片即使在在高电位和大电流密度下也能够提供稳定且优异的HER和OER性能。相关研究成果以“In-Plane Black Phosphorus/Dicobalt Phosphide Heterostructure for Efficient Electrocatalysis”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

【图文导读】

图1 BP/Co₂P异质结的合成示意图及其相关表征

（a）BP/Co₂P异质结构的合成示意图

（b）大块BP的SEM图像

（c，d）BP和BP Co₂P纳米片的TEM图像

（e）BP和BP/Co₂P纳米片的XRD谱图

（f）大块BP以及BP和BP/Co₂P纳米片的拉曼散射光谱

图2 BP / Co₂P纳米片的物理性能表征

（a）一个BP / Co₂P纳米片的TEM图像

（b）对应于（a）中的边缘位置的Co₂P的HR-TEM图像

（c）对应于（a）中的中心位置的BP的HR-TEM图像

（d）一个BP / Co₂P纳米片的线扫描AFM图像

（e,h）一个BP / Co₂P纳米片的HAADF图像和EDS图

（i,k）BP纳米片、BP/Co₂P纳米片的XPS谱

（l）BP/Co₂P异质结构的合成机理示意图

图3 BP纳米片的电催化性能

（a）BP，BP/Co₂P和Pt/C在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH中的HER极化曲线

（b）HER极化曲线的BP，BP/Co₂P和Pt / C的对应塔菲尔曲线

（c）BP和BP/Co₂P纳米片的EIS曲线

（d）在0.5 M H₂SO₄和1.0 M KOH中对BP/Co₂P的稳定性评估

图4 BP纳米片的电催化性能

（a）BP，BP/Co₂P和RuO₂在1.0 M KOH中的OER极化曲线

（b）BP，BP/Co₂P和RuO₂的OER极化曲线的对应塔菲尔图

（c）BP/Co₂P作为催化剂的水分解示意图

（d）BP/Co₂P在1.0 M KOH中水分解的极化曲线

【小结】

本文通过在BP缺陷/边缘位置原位还原Co合成了面内BP/Co₂P异质结构。即使在大的电位和电流密度下，BP/Co₂P纳米片也能够提供稳定且优异的HER和OER性能。考虑到缺陷影响BP的性能和稳定性，合理利用缺陷是提高BP纳米片稳定性和性能的一种新的有效的方法。同时，制备单分散和平面BP异质结构的化学方法，可以扩展到生产其他BP基纳米复合材料的应用中。

文献链接：In-Plane Black Phosphorus/Dicobalt Phosphide Heterostructure for Efficient Electrocatalysis(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.20170859)

本文由材料人编辑部新人组黄新月编辑，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试、数据分析，上测试谷！