休斯顿大学任志锋Nature Communications：用于完全分解水的高性能双功能多孔非贵金属磷化物催化剂

【引言】

水电解是一种先进的能源转换技术，用于生产清洁和可持续的化学燃料H₂，可潜在地存储大量但间歇性的可再生能源。由于完全分解水的催化剂的上升反应动力学需要相当高的电压来催化与电解电流的反应，极大地降低了分解效率。因此，迫切需要合理开发特别高效的非贵金属催化剂来大大提高效率，以促进阴极析氢和阳极析氧反应，实现大规模商业化。目前，大多数催化剂只能在低电流密度下稳定运行，更不用说在商业上的应用。在这方面，迫切需要在相同的电解质中同时构建具有优异的HER和OER活性的单一双功能催化剂。

【成果简介】

近日，在美国休斯顿大学任志锋教授和陈硕助理教授（共同通讯作者）带领下，与湖南师范大学和美国加州理工学院合作，报告了一种在泡沫镍上由铁和磷化镍构成的混合FeP/Ni₂P催化剂，FeP/Ni₂P具有很好的OER和HER催化活性，其性能优于大多数具有类似功能的催化剂，并且还具有优异的完全分解水能力。具体而言，FeP/Ni₂P混合物对HER具有良好的催化性能（-10 mA cm^-2时电压为-14 mV），优于贵金属Pt催化剂（-10 mA cm^-2时电压为-57mV）。同时，其OER具有最低过电位（10 mA cm^-2时过电位为154mV），性能超过了IrO₂催化剂（10 mA cm^-2时过电位为281 mV）。此外，将这种双功能催化剂直接作为阳极和阴极电极集成在碱性电解槽中，并证明在10 mA cm^-2处的完全水分解电压为1.42 V和在500 mA cm^-2处的完全水分解电压为1.72 V，经过40小时的耐久性测试，分解电压无衰减，远远超过目前工业催化剂的性能，工业催化剂在400 mA cm^-2处的完全水分解电压需要2.40 V。相关成果以题为“High-performance bifunctional porous non-noble metal phosphide catalyst for overall water splitting”发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1.FeP/Ni₂P混合物的微观表征

a.泡沫Ni上负载的FeP/Ni₂P纳米粒子的低倍放大SEM图像。比例尺，5μm；

b.泡沫Ni上负载的FeP/Ni₂P纳米粒子的高倍SEM图像。比例尺，200纳米；

c.FeP/Ni₂P催化剂的SAED图案。比例尺，2 1/nm；

d.FeP/Ni₂P催化剂的HRTEM图像。比例尺，2nm；

e.FeP/Ni₂P催化剂的TEM图和相应的EDX元素分布图。比例尺，100nm；

f.FeP/Ni₂P催化剂的XPS分析；

g.FeP/Ni₂P催化剂的XRD图谱（没有显示Ni峰的完整强度，以便于更好地观察催化剂的峰）。

图2.FeP/Ni₂P的OER表征

a.在不同催化剂上记录的极化曲线图;

b.a中曲线的放大图；

c.a中不同催化剂相应的Tafel图；

d.比较FeP/Ni₂P催化剂和现有的OER催化剂在10 mA cm^-2所需的过电位；

e.比较FeP/Ni₂P催化剂和现有的OER催化剂在300 mV时的电流密度；

f.Ni₂P和FeP/Ni₂P催化剂的双层电容（C_dl）测量；

g.在加速耐久性试验5000次循环之前和之后的FeP/Ni₂P的循环伏安曲线曲线；

h.FeP/Ni₂P在恒电流密度100 mA cm^-2时的计时-电位曲线图。电解质：1M KOH。

图3.FeP/Ni₂P的HER表征

a.不同催化剂的HER极化曲线图；

b.a中不同催化剂相应的塔菲尔图；

c.Ni₂P和FeP/Ni₂P催化剂的双层电容（C_dl）测量；

d.比较FeP/Ni₂P催化剂和现有的HER催化剂在10 mA cm^-2所需的过电位；

e.比较FeP/Ni₂P催化剂和现有的OER催化剂在-200 mV时的电流密度；

f .FeP/Ni₂P催化剂在5000循环实验前后的极化曲线；

g.FeP/Ni₂P在恒电流密度-100 mA cm^-2时的计时-电位曲线图。电解质：1M KOH；

h.ΔG_H为自由能图，与Ni₂P和基准Pt催化剂相比，FeP/Ni₂P催化剂上在pH = 14时的氢吸附自由能。电解质：1M KOH。

图4.FeP/Ni₂P催化剂的完全水分解活性

a双电极结构中FeP/Ni₂P和IrO₂-Pt偶联催化剂的极化曲线；

b.a中在低电流密度区域的放大图；

c.比较在不同水碱性电解槽中的10 mA cm^-2电流密度时的电池电压；

d.比较在不同水碱性电解槽中的100 mA cm^-2电流密度时的电池电压；

e.比较FeP/Ni₂P和现有的非贵金属双功能催化剂在1.7V下的电流密度；

f.FeP/Ni₂P催化剂分别在30，100和500 mA cm^-2下约40小时的催化稳定性。电解质：1M KOH。

【小结】

总之，该团队开发了一种在3D泡沫Ni上的FeP/Ni₂P混合催化剂，该催化剂被证明是用于完全水分解的优异双功能催化剂，在相同的碱性电解液中表现出极高的OER和HER活性。实际上，它需要非常低的电压（1.42 V）就能在碱性水电解槽中提供10 mA cm^-2电流密度，而在500 mA cm^-2的电流密度下，它仅需要1.72 V的电压，比任何报道的双功能催化剂低，并且在500 mA cm^-2的电流密度下保持其优异的催化稳定性超过40小时，为大规模氢气生成铺平了道路。

文献链接：High-performance bifunctional porous non-noble metal phosphide catalyst for overall water splitting（Nature Communications,2018,DOI：10.1038/s41467-018-04746-z）

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