雙功能催化劑高效電解水制氫研究中取得進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究員固體物理研究所納米材料與器件技術研究部孟國文研究員課題組與韓國浦項科技大學合作，在過渡金屬基催化劑的設計合成及其全電解水制氫方面取得新進展，通過優化設計與精準調控，在碳纖維布電極上原位生長制備單分散、超小尺寸過渡金屬磷化物納米晶均勻負載的氮摻雜碳分級納米片陣列，具有優異的電催化析氫反應（HER）和析氧反應（OER）雙功能催化性能，實現高效全電解水制氫。

　　電解水過程的HER和OER兩個反應過電位大、能耗高，需要高效催化劑。貴金屬鉑（Pt）和銥釕（Ir/Ru）氧化物是目前性能最優的HER和OER催化劑，但高成本制約其規模化使用。此外，目前的相關研究主要集中在開發針對HER或OER的單功能催化劑，在實際應用中需設計兩種不同類型的催化劑，增加了電解水設備的復雜性。

　　該研究采用室溫液相法在碳纖維布電極上原位生長鈷鋅基金屬有機框架（CoZn-MOFs）納米片陣列前驅體，后利用Ni2+離子刻蝕CoZn-MOFs的方法合成三元過渡金屬NiCoZn層狀雙氫氧化物（CoZnNi LDHs）超薄納米片組成的分級納米片中間體，最后通過可控磷化反應構筑磷化物（NiCoZnP）納米晶與有機配體碳化后形成的氮摻雜碳（NC）分級納米片組成的NiCoZnP@NC復合結構催化劑。基于CoZnNi LDHs超薄納米片中間體的自犧牲模板限域作用以及可控磷化反應，所制備的超細磷化物納米晶均勻分布在氮摻雜碳分級納米片上，可作為電催化分解水反應的高活性催化位點；超薄的氮摻雜碳分級結構比表面高、導電性好，可作為磷化物納米晶的載體，促進催化反應過程中電荷的傳輸。此外，這種自支撐的NiCoZnP@NC分級納米片直接生長在碳纖維電極上，不僅有效降低了催化劑與電極之間的接觸電阻，有利于電解液擴散以及產生氣體的脫附，還大幅提高了催化劑的穩定性。

　　在以上協同作用下，所構筑的NiCoZnP@NC納米片陣列呈現出超高的雙功能催化性能。析氫反應中，其性能接近商業化鉑碳催化劑；析氧反應中，性能遠超商業化二氧化銥（IrO2）；在全電解水時，只需1.54伏的電壓即可驅動10mA/cm2的電流密度，表現出良好的長期穩定性，且這種過渡金屬基催化劑的制備成本遠低于商業化貴金屬催化劑。該工作所提出的催化劑制備方法具有合成工藝簡單、成本低、可實現規模化制備等優點，為研發高效、廉價、穩定的全電解水催化劑提供了新思路，在高效電解水綠色制氫領域具有良好的應用前景。

　　相關研究結果發表在Chemical Engineering Journal上。

催化劑示意圖。a：磷化物納米晶@氮摻雜碳（NiCoZnP@NC）分級納米片陣列制備流程示意圖，b：碳纖維布電極示意圖，c：NiCoZnP@NC分級納米片陣列示意圖

掃描電鏡表征結果。a、b：CoZn-MOF納米片陣列前驅體，c：NiCoZn LDH分級納米片中間體，d：NiCoZnP@NC分級納米片陣列

透射電鏡表征結果：a—c：NiCoZn LDH超薄分級納米片中間體，d—e：NiCoZnP@NC分級納米片

HER和OER性能測試結果。a：HER線性掃描伏安曲線，b：HER塔菲爾斜率曲線，c：HER電化學阻抗譜，d：OER線性掃描伏安曲線，e：OER塔菲爾斜率曲線，f：OER電化學阻抗譜