休斯頓大學任志鋒Nature Communications：用于完全分解水的高性能雙功能多孔非貴金屬磷化物催化劑

【引言】

水電解是一種先進的能源轉換技術，用于生產清潔和可持續的化學燃料H₂，可潛在地存儲大量但間歇性的可再生能源。由于完全分解水的催化劑的上升反應動力學需要相當高的電壓來催化與電解電流的反應，極大地降低了分解效率。因此，迫切需要合理開發特別高效的非貴金屬催化劑來大大提高效率，以促進陰極析氫和陽極析氧反應，實現大規模商業化。目前，大多數催化劑只能在低電流密度下穩定運行，更不用說在商業上的應用。在這方面，迫切需要在相同的電解質中同時構建具有優異的HER和OER活性的單一雙功能催化劑。

【成果簡介】

近日，在美國休斯頓大學任志鋒教授和陳碩助理教授（共同通訊作者）帶領下，與湖南師范大學和美國加州理工學院合作，報告了一種在泡沫鎳上由鐵和磷化鎳構成的混合FeP/Ni₂P催化劑，FeP/Ni₂P具有很好的OER和HER催化活性，其性能優于大多數具有類似功能的催化劑，并且還具有優異的完全分解水能力。具體而言，FeP/Ni₂P混合物對HER具有良好的催化性能（-10 mA cm^-2時電壓為-14 mV），優于貴金屬Pt催化劑（-10 mA cm^-2時電壓為-57mV）。同時，其OER具有最低過電位（10 mA cm^-2時過電位為154mV），性能超過了IrO₂催化劑（10 mA cm^-2時過電位為281 mV）。此外，將這種雙功能催化劑直接作為陽極和陰極電極集成在堿性電解槽中，并證明在10 mA cm^-2處的完全水分解電壓為1.42 V和在500 mA cm^-2處的完全水分解電壓為1.72 V，經過40小時的耐久性測試，分解電壓無衰減，遠遠超過目前工業催化劑的性能，工業催化劑在400 mA cm^-2處的完全水分解電壓需要2.40?V。相關成果以題為“High-performance bifunctional porous non-noble metal phosphide catalyst for overall water splitting”發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1.?FeP/Ni₂P混合物的微觀表征

a.泡沫Ni上負載的FeP/Ni₂P納米粒子的低倍放大SEM圖像。比例尺，5μm；

b.泡沫Ni上負載的FeP/Ni₂P納米粒子的高倍SEM圖像。比例尺，200納米；

c.FeP/Ni₂P催化劑的SAED圖案。比例尺，2 1/nm；

d.FeP/Ni₂P催化劑的HRTEM圖像。比例尺，2nm；

e.FeP/Ni₂P催化劑的TEM圖和相應的EDX元素分布圖。比例尺，100nm；

f.FeP/Ni₂P催化劑的XPS分析；

g.FeP/Ni₂P催化劑的XRD圖譜（沒有顯示Ni峰的完整強度，以便于更好地觀察催化劑的峰）。

圖2.?FeP/Ni₂P的OER表征

a.在不同催化劑上記錄的極化曲線圖;

b.a中曲線的放大圖；

c.a中不同催化劑相應的Tafel圖；

d.比較FeP/Ni₂P催化劑和現有的OER催化劑在10 mA cm^-2所需的過電位；

e.比較FeP/Ni₂P催化劑和現有的OER催化劑在300 mV時的電流密度；

f.Ni₂P和FeP/Ni₂P催化劑的雙層電容（C_dl）測量；

g.在加速耐久性試驗5000次循環之前和之后的FeP/Ni₂P的循環伏安曲線曲線；

h.FeP/Ni₂P在恒電流密度100 mA cm^-2時的計時-電位曲線圖。電解質：1M KOH。

圖3.?FeP/Ni₂P的HER表征

a.不同催化劑的HER極化曲線圖；

b.a中不同催化劑相應的塔菲爾圖；

c.Ni₂P和FeP/Ni₂P催化劑的雙層電容（C_dl）測量；

d.比較FeP/Ni₂P催化劑和現有的HER催化劑在10 mA cm^-2所需的過電位；

e.比較FeP/Ni₂P催化劑和現有的OER催化劑在-200 mV時的電流密度；

f .FeP/Ni₂P催化劑在5000循環實驗前后的極化曲線；

g.FeP/Ni₂P在恒電流密度-100 mA cm^-2時的計時-電位曲線圖。電解質：1M KOH；

h.ΔG_H為自由能圖，與Ni₂P和基準Pt催化劑相比，FeP/Ni₂P催化劑上在pH = 14時的氫吸附自由能。電解質：1M KOH。

?圖4. FeP/Ni₂P催化劑的完全水分解活性

a雙電極結構中FeP/Ni₂P和IrO₂?-Pt偶聯催化劑的極化曲線；

b.a中在低電流密度區域的放大圖；

c.比較在不同水堿性電解槽中的10 mA cm^-2電流密度時的電池電壓；

d.比較在不同水堿性電解槽中的100?mA cm^-2電流密度時的電池電壓；

e.比較FeP/Ni₂P和現有的非貴金屬雙功能催化劑在1.7V下的電流密度；

f.FeP/Ni₂P催化劑分別在30，100和500 mA cm^-2下約40小時的催化穩定性。電解質：1M KOH。

【小結】

總之，該團隊開發了一種在3D泡沫Ni上的FeP/Ni₂P混合催化劑，該催化劑被證明是用于完全水分解的優異雙功能催化劑，在相同的堿性電解液中表現出極高的OER和HER活性。實際上，它需要非常低的電壓（1.42 V）就能在堿性水電解槽中提供10 mA cm^-2電流密度，而在500 mA cm^-2的電流密度下，它僅需要1.72 V的電壓，比任何報道的雙功能催化劑低，并且在500 mA cm^-2的電流密度下保持其優異的催化穩定性超過40小時，為大規模氫氣生成鋪平了道路。

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

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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