上海交大Adv. Energy Mater.：高效Mott–Schottky整體水分解催化劑-Co/CoP Janus納米粒子

【引言】

電化學水裂解反應，包括析氫反應（HER）和析氧反應（OER），這為生產高純氫氣作為可持續燃料提供了一種可行的方法。而正在研究的核心問題是開發高效的電催化劑，以克服遲緩的動力學和加速H₂和O₂在低超電勢的演化速率。貴金屬（例如Pt，Rh，Ir）和貴金屬氧化物（例如，IrO₂，RuO₂）催化劑分別具有所需的HER和OER活性。然而，這些貴金屬的稀缺性和高成本阻礙了它們的大規模應用。因此人們非常希望開發用于高效率、低成本的水分解電催化劑。迄今為止，已經為酸性電解質中的HER和堿性電解質中的OER設計了許多潛在的土壤中富含的材料候選物。然而盡管付出了巨大的努力，用于HER和OER的強大且普通的水分解電催化劑在各種電解質中實現有效的總體水分解仍然很少用于實際應用。因此，有吸引力的是制造在pH0-14下對HER和OER都顯示高活性的雙功能催化劑。

最近，一些雙功能電催化劑已經通過在一個納米復合材料中結合HER和OER活性組分而成功地合成。在這些雙功能電催化劑中，過渡金屬基納米復合材料具有作為用于大量生產氫氣的便宜且穩定的電極材料的巨大潛力。有這樣一個共識，HER和OER活性組分之間的強偶聯界面由于可能的協同效應和在不同組分的界面處的增強的電子轉移效率，通常顯著促進這些混合電催化劑的最終性能。除了這些基于過渡金屬-納米復合物的電催化劑的官能化和偶聯之外，擴展這些電催化劑與電解質類型的相容性也已經成為電催化領域中最重要的研究課題之一。例如，已經研究了金屬和金屬磷化物基材料作為在酸性和堿性電解質中具有高活性和穩定性的一般HER電催化劑。作為涉及兩個水分子的四電子氧化反應的能量上坡反應，OER特別需要比用于HER的過電位大得多的過電位。通常，促進OER電催化劑在酸性和堿性電解質中的活性仍然是對用于在寬pH范圍內的整體水分解的雙功能電催化劑的合理設計的巨大挑戰。

【成果簡介】

為了解決這些問題，近日，上海交通大學化學化工學院的李新昊課題組在Adv. Energy Mater.上發文，題為“Janus Co/CoP Nanoparticles as Efficient Mott–Schottky Electrocatalysts for Overall Water Splitting in Wide pH Range”。在這項研究中，研究人員提出了一種概念驗證策略，通過在金屬-半導體界面的Janus (兩面神)Co / CoP納米粒子的Mott–Schottky效應，在酸性、中性和堿性電解質中促進鈷和鈷的二元體的HER和OER活性。應用真空擴散法控制碳包覆的Co納米顆粒的磷化程度。合理控制Janus Co / CoP納米顆粒中的CoP含量并因此構建優化的Mott-Schottky電催化劑的成功導致在不同電解質中從酸到堿的顯著促進的OER和HER活性。更重要的是，雙功能Co / CoP電催化劑更夠長期工作，而沒有明顯的水分解活性的降低。

【圖文導讀】

圖一：材料的合成及形貌

a）合成方法，b）TEM和c）碳包覆的Janus Co / CoP-5納米顆粒的HRTEM圖像。 d）XRD圖譜和e）Co和Co / CoP-5樣品的Co 2p XPS光譜。

圖二：LSV曲線以及Tafel斜率

相對于Co，Co / CoP-x（x = 3,5和7）和CoP樣品的 a）HER和 b）OER的iR校正的LSV曲線以及在1M KOH電解質中 c）HER和d）OER相應的Tafel斜率（催化劑負載：0.22mg cm^-2）。

圖三：總體水電解的iR校正的LSV曲線和相應的計時電位曲線

使用Co / CoP-5作為雙功能電極材料以及在

a，b）1.0M KOH，c，d）1.0M PBS和 e，f）0.5M H₂SO₄中的總體水電解的iR校正的LSV曲線和相應的計時電位曲線。 催化劑負載：5.0mg cm ^-2。

圖四：材料的HRTEM圖像及XPS光譜

a）對于HER和OER，在1.0M KOH電解質中的Co，Co / CoP-x和CoP樣品在-0.30和1.60V(相對于RHE)的電流密度。

b）典型的Co / CoP-5納米顆粒的組成線輪廓。

c）金屬Co，CoP和Co / CoP基Mott-Schottky接觸（EF：功函數; EC：導帶; EV：價帶）的電子結構。

d）典型的Co / CoP-5納米顆粒的HRTEM圖像。 Co（藍色）和CoP（紅色）的界面在（d）中用黃色虛線標記。

?e）基于XPS分析結果，Co，Co / CoP-x和CoP樣品表面上的磷含量。

f）Co / CoP-3，Co / CoP-5和CoP樣品的Co 2p XPS光譜。

【總結】

本文通過將Co納米顆粒逐步磷化成Janus（兩面神） Co / CoP納米顆粒來制備Mott-Schottky電催化劑。 在Co / CoP界面處的電子的再分布通常促進酸、堿和中性電解質中的HER和OER活性，極大地延長了它們在水分解裝置中作為高效且穩定的電極材料的應用。這項研究開辟了一個令人興奮的新途徑，探討由過渡金屬及其氧化物、硫族化物、氮化物或磷化物制成的Mott-Schottky電催化劑用于水分解反應，燃料電池和有機合成。

文獻鏈接：Janus Co/CoP Nanoparticles as Efficient Mott–Schottky Electrocatalysts for Overall Water Splitting in Wide pH Range（Adv. Energy Mater，2017，DOI: 10.1002/aenm.201602355）

本文由材料人新能源組 背逆時光 供稿，材料牛編輯整理。

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