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Mo掺杂NiCoP纳米片“一箭双雕”!双功能全水分解电催化剂

已有 1613 次阅读 2019-7-18 15:29 |系统分类:论文交流| Mo掺杂, 水热法, 电催化, 双功能全水分解, 磷化法

Bifunctional Electrocatalysts Based on Mo-doped NiCoP Nanosheet Arrays for Overall Water Splitting

Jinghuang Lin, Yaotian Yan, Chun Li,Xiaoqing Si, Haohan Wang, Junlei Qi*, Jian Cao, Zhengxiang Zhong, Weidong Fei and Jicai Feng

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 55

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0289-6

本文亮点     

1 采用水热法和磷化法组合策略,制备自支撑的Mo元素掺杂NiCoP纳米片阵列。

2 Mo掺杂提升了NiCoP纳米片阵列的电化学活性面积,且有效地优化了材料的电子结构。

3 Mo掺杂的NiCoP纳米片阵列具有显著的双功能全水分解电催化活性。

内容简介     
氢能源由于燃烧热值高,燃烧产物为水,质量轻等特点,具有作为可再生能源载体的独特优势。电解水制氢具有获取氢气纯度高,反应过程无污染,原料储量巨大等优点,被视为氢能源转化关系中至关重要的步骤。电催化水分解技术由析氧反应(OER)和析氢反应(HER)两部分组成,其要的难点在于反应过程需要克服各个步骤的反应能垒。为了降低能垒,需采用高活性的电催化剂来降低OER和HER的过电势。目前常用Ir/Ru基氧化物和Pt等贵金属催化剂进行电催化水分解,但这些贵金属催化剂的高成本和稀缺性极大地阻碍了它们的实际应用。此外当不同电极用于同一全水分解装置时,OER和HER的不兼容性可能导致效率低下。因此,设计一种低成本、高效率的双功能电催化剂是非常必要的。

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哈尔滨工业大学新材料及异种材料连接课题组亓钧雷老师等人采用水热法和磷化法组合的策略,成功制备出自支撑的Mo掺杂NiCoP纳米片阵列用于高效全水分解。

自支撑纳米片阵列具有丰富的微纳孔隙,不仅增加了电极材料的比表面积,而且有利于催化反应过程中气泡的快速逸出。

Mo元素掺杂增大了材料的电化学活性面积,且有效调控了NiCoP的电子结构,进而改善了催化活性位点的本征活性,从而获得了优秀的HER和OER催化性能。

此外,本文探讨了Mo掺杂和电化学激活对催化活性的提升机制,为电化学能量转换装置的运用提供了新的思路。

图文导读     
Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的合成

采用水热法和磷化法组合的策略合成出自支撑的Mo掺杂NiCoP纳米片阵列,直接用于HER催化即具有良好性能。

通过电化学激活法获得了原位转变而成的Mo掺杂(Ni,Co)OOH纳米片阵列,可使材料的OER催化性能进一步提升。

图1 Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的合成示意图。

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Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的形貌表征与物相鉴定

NiCoP呈相互交联的多孔纳米片状,Mo掺杂后,形貌没有明显变化。TEM结果进一步表明了纳米片上的多孔结构,并确定了NiCoP的成功制备。

由对应元素的面扫描图谱可知Ni, Co, Mo, P均匀分布于整个纳米片,证明了Mo元素的成功掺杂。

图2 (a, b) NiCoP的SEM图;(c, d) Mo掺杂NiCoP的SEM图;Mo掺杂NiCoP的 (e) TEM图,(f) HRTEM图和(g) 对应元素面扫描。

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Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的HER电催化性能分析

在1 M KOH溶液中,Mo掺杂NiCoP纳米片阵列表现出优异的电催化性能。

对于HER,电流密度为10 mA/cm2时过电势仅为76 mV,Tafel斜率为60 mV/dec,均明显优于未掺杂Mo的材料;制备的催化剂电极具有良好的循环稳定性。

图3 (a) 极化曲线;(b) 对应的Tafel斜率;(c) 扫描速度与电流密度差值曲线;(d) 连续多步计时电位测试(不含iR矫正);(e) 长时间计时电位稳定性测试(不含iR矫正); (f) 样品的Nyquist图。

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Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的OER及全水分解电催化性能分析

电化学激活后的样品仍然保持纳米片形貌,但表面变得粗糙和卷曲。由TEM结果可知激活后有许多亚纳米片生成,说明纳米片阵列原位转变为核壳结构阵列,这促进了电化学活性面积的提升,进而改善了样品OER催化性能,电流密度为10 mA/cm2时的过电势仅为269 mV。

以Mo掺杂的NiCoP纳米片阵列作阴极,电化学激活后的Mo掺杂NiCoP纳米片阵列作阳极构建双电极全水分解系统,电流密度为10 mA/cm2时时的全水分解电压仅为1.61 V,且循环稳定性良好。

图4 (a) 极化曲线;(b) 不同激活圈数样品的扫描速度与电流密度差值曲线;激活后Mo掺杂NiCoP纳米阵列的 (c,d) SEM图, (e) TEM图, (f) HRTEM图。

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图5 (a) 样品的全水分解极化曲线;(b) 全水分解电位计算值与测量值的对比;(c) 长时间全水分解计时电位稳定性测试

作者简介

亓钧雷

(本文通讯作者)

教授,博士生导师

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

▌主要研究方向

石墨烯微连接,自支撑纳米阵列用于能量存储和转换应用

▌主要研究成果

在Nature Communications, Advanced Science, Nano Energy等期刊上发表SCI论文80余篇,申请国家发明专利60余项,已获授权30项。

E-mail:jlqi@hit.edu.cn

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