蘇州大學黃小青Nano Energy：鈷鉬納米片陣列作為高效且穩定的電極催化劑，用于整體水分解

【引言】

廣泛認為析氧反應（OER）和析氫反應（HER）的水分解是一種有效和可持續的從水中產生清潔和無污染的氫燃料的方法。目前，最有效的OER和HER催化劑分別為Ir / Ru基氧化物和Pt。然而，價格過高和嚴重稀缺阻礙了其大規模利用和實際應用。為了克服這些缺點，設計具有成本效益的用于水分解的地球上豐富的催化劑是非常必要的。最近的努力主要集中在過渡金屬基電催化劑，由于原料豐富且多樣性，潛在的穩定性和理論上的高催化活性。盡管取得了許多進展，但是實現高效的高性價比的電催化劑還是遠遠不夠的。本質上，可以通過以下策略改善整體水分解的電化學性能：在三維（3D）多孔和導電基底上原位生長2D活性材料；形成雙金屬和雙金屬氧化物催化劑；硫化和磷化。因此，結合上述策略，開發出高效穩定的整體分水催化劑是非常理想的，但仍是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，在蘇州大學黃小青（通訊作者）課題組的帶領下，首次設計了二維Mo摻雜的CoO納米片（NSs）修飾的三維多孔導電納米顆粒作為高效富含大量的催化劑，用于整體水分解。通過優化Co₅Mo_1.0O?NSs @ NF電極實現了高效低成本的OER催化劑，該電極在10和100mAcm^-2的1.0M KOH中顯示出優異的OER活性，270和330mV的低過電勢，甚至優于許多報道催化劑。值得注意的是，Co₅Mo_1.0O?NSs @ NF電極在10mAcm^-2的電流密度下可以保持140 h的長期穩定性且沒有任何明顯的形態變化。磷酸鹽化后的電催化劑制備用于HER，其中Co₅Mo_1.0P?NSs@NF電極表現出優異的HER活性，173mV的低過電位，在0.5MH₂SO₄中達到10mAcm^-2。此外，經過優化的Co₅Mo_1.0O?NSs@NF和Co₅Mo_1.0P?NSs@NF電極在電流密度分別為10和100mA cm^-2，1.0M KOH中僅有1.68V和1.89V的電壓，并且在高電勢下比基準Ir/C∥Pt/C更高的電流密度。這種電極在10mAcm^-2超過30小時時也表現出優異的耐久性，沒有顯著的活性衰減。相關成果以題為“Cobalt-Molybdenum Nanosheet Arrays as Highly Efficient and Stable Earth-Abundant Electrocatalysts for Overall Water Splitting”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. CoMoO?NSs@NF和CoMoP?NSs@NF的合成路線的示意圖以及Co-Mo基納米片陣列作為OER和HER催化劑用于整體水分解。

圖2.Co₅Mo_1.0O?NSs@NF的物理性能表征

（a,b）Co₅Mo₀ONSs@NF的SEM圖像。（a）中的插圖是低分辨率的SEM圖像，（b）中的插圖是Co₅Mo_1.0ONSs@NF的放大的SEM圖像；

（c）劃掉NF的Co₅Mo_1.0O?NSs的EDS光譜；

（d）劃掉NF的Co₅Mo_1.0O NSs的XRD；?

（e）劃掉NF的Co₅Mo_1.0O NSs的元素映射圖像，黃色、藍色、紅色分別為，Co、Mo、O元素。

圖3.Co₅Mo_1.0P NSs@NF的物理性能表征

（a,b）Co₅Mo₀P NSs@NF的SEM圖像；

（c）Co₅Mo_1.0P NSs的元素分布圖像，黃色、藍色、紅色分別為，Co、Mo、P元素；

（d）Co₅Mo_1.0P NSs@NF的Co?2p，Mo?3d和P?2p的XPS譜。

圖4.Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的電化學性能表征

（a）在1.0M KOH，掃描速率為10mVs^-1時Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的極化曲線；

（b）在1.0M KOH，掃描速率為10mVs^-1，電流密度J=10 mAcm^-2和100 mAcm^-2下，Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的過電勢；

（c）在1.0M KOH，掃描速率為10mVs^-1，η=330mV時的Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的電流密度；

（d）在1.0M KOH，掃描速率為10mVs^-1，Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的Tafel圖；?

（e）在10mA cm^-2下，Co₅Mo_1.0O NSs@NF催化劑的OER的計時電位滴定測量，?插圖顯示了OER穩定性測試后Co₅Mo_1.0O NSs @ NF的SEM圖像；

（f）Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF和NF的電容J與掃描速率。

圖5.Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的OER性能表征

（a）Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的Co?2p XPS譜圖；

（b）Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的Co²⁺/Co³⁺摩爾比和在1.54 V（vs. RHE）電壓下的電流密度。

圖6.Co₅Mo_1.2P?NSs@NF, Co₅Mo_1.0P?NSs@NF, Co₅Mo_0.8P?NSs@NF

（a）在0.5M H₂SO₄，掃描速率為10mVs^-1時Co₅Mo_1.2P?NSs@NF, Co₅Mo_1.0P?NSs@NF, Co₅Mo_0.8P?NSs@NF的極化曲線；

（b）在0.5M H₂SO₄，掃描速率為10mVs^-1，電流密度J=10mAcm^-2時Co₅Mo_1.2P?NSs@NF, Co₅Mo_1.0P?NSs@NF, Co₅Mo_0.8P?NSs@NF的過電勢；

（c）在0.5M H₂SO₄，掃描速率為10mVs^-1時Co₅Mo_1.2P?NSs@NF, Co₅Mo_1.0P?NSs@NF, Co₅Mo_0.8P?NSs@NF，NF和Pt/ C的Tafel圖；

（d）1000個CV循環之前和之后的Co₅Mo_1.0P NSs @ NF的LSV曲線。 插圖顯示了Co₅Mo_1.0P NSs @ NF催化劑在電流密度J=10mA cm^-2時的HER的計時電位滴定測量。

圖7.全電池裝置電化學性能測試

（a）Co₅Mo_1.0O?NSs@NF和Co₅Mo_1.0P?NSs@NF電極裝成整體水分解裝置的圖像；?

（b）不同電壓下的Co₅Mo_1.0O?NSs@NF//Co₅Mo_1.0P?NSs@NF，NF//NF和Ir/C(+)∥Pt/C(-)在1.0 M KOH中進行整體水分解的穩態極化曲線；

（c）不同電壓下的Co₅Mo_1.0O?NSs@NF//Co₅Mo_1.0P?NSs@NF，NF//NF和Ir/C(+)∥Pt/C(-)在1.0 M KOH中進行整體水分解的電流密度；

（d）在恒定電流密度10mA cm^-2下，雙電極結構Co₅Mo_1.0O?NSs@NF/ Co₅Mo_1.0P?NSs@NF的水分解計時電位曲線。

【小結】

團隊首次成功地構建了一類新型的Co₅Mo_1.0O NSs @ NF和Co₅Mo_1.0P?NSs @ NF分別作為OER和HER電催化劑。優化的Co₅Mo_1.0O?NSs @ NF電極在堿性溶液中表現出對OER的高活性和耐久性。值得注意的是，Co₅Mo_1.0O?NSs @ NF電極在10 mA cm^-2的電流密度下也可以表現出優異的長期穩定性，在OER穩定性測試后沒有明顯的形態變化。磷化后，Co₅Mo_1.0P?NSs @ NF電極在酸性溶液中表現出極好的HER活性和低過電勢。此外，優化的Co₅Mo_1.0O?NSs @ NF和Co₅Mo_1.0P NSs @ NF表現出優異的整體水分解活性，電流密度比基準Ir/C//Pt/C高得多。目前的工作提出了一個獨特而又豐富的水分解材料體系，具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Cobalt-Molybdenum Nanosheet Arrays as Highly Efficient and Stable Earth-Abundant Electrocatalysts for Overall Water Splitting（Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.01.022 ）

本文由材料人編輯部學術組木文韜供稿，材料牛整理編輯。

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