原创 许瀚文等 科学材料站 2021-10-08
文 章 信 息
用于高效电催化水分解的 Fe-Co-P 多异质结构阵列
第一作者：许瀚文
通讯作者：木士春*
研 究 背 景
为解决日益严重的环境污染和化石能源危机，以及达到2050年左右碳中和的目标，人类社会迫切需要氢等清洁能源。在不同的制氢方法中，水电解制氢是较为成熟的方法之一。然而，电解水制氢过程中的两个半反应，即阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER）动力学过程缓慢，特别是前者，严重降低了水电解效率。目前，最好的水电解制氢催化剂仍是Pt 族贵金属材料。为了降低电催化分解水的能耗和成本，开发稳定、高效的双功能非贵金属电催化剂成为人们的研究热点。
文 章 简 介
基于此，武汉理工大学木士春团队设计并构筑了一种Fe-Co-P多异质结构双功能催化剂（Fe-Co-P/NF）， 用于在碱性条件下高效驱动水电解解制氢。文中通过实验结合理论计算证明了这种多异质结构可以调节局部电子结构，改善反应中间体在活性位点上的吸附。因此，在没有贵金属的情况下，所制备的 Fe-Co-P 多异质结构催化剂表现出非常高的催化性能。
图1. 图文摘要。
文 章 要 点
要点一：使用独特的自牺牲模板法合成了Fe-Co-P多异质结构
本文使用自牺牲模板法，构筑了Fe-Co-P多异质结构。首先在泡沫镍基底上合成了碱式碳酸钴（CoCH）作为自牺牲模板以生长CoFe PBA阵列作为前驱体；随后将前驱体在350℃下磷化，获得最终的Fe-Co-P多异质结构（Co2P-FeP、CoP-FeP、Co2P-CoP）催化剂。
图2. Fe-Co-P/NF催化剂的制备流程示意图。
要点二: 通过结构表征证明了Fe-Co-P多异质结构的存在
通过XRD测试证明了产物中包含CoP, Co2P, FeP物相；并通过观察TEM 高分辨图像中的晶格条纹与两相界面，进一步证明了产物中存在Co2P-FeP、CoP-FeP、Co2P-CoP等异质结构；如SEM图像所示，得到的Fe-Co-P多异质结构催化剂具有开放的层次结构与独特的三维形貌，可有效增加活性面积。XPS测试进一步表明Fe与Co之间存在电荷转移；这些特征有利于提高材料的电催化活性。
图3. Fe-Co-P/NF催化剂的结构表征。
要点三：催化剂具有优异的HER,OER与全水解活性
制备的 Fe-Co-P 多异质结构催化剂表现出优异的催化性能：仅需要 227 mV 和 87 mV 即可达到 OER 和 HER 的 20 和 10 mA cm-2 的电流密度，优于报道的大多数相关催化剂此外，当用于碱性电解槽时，它在 1.55 V 的电压下可以提供 10 mA cm-2 的电流密度，优于商用 Pt/C-RuO2催化剂 (1.59 V), 并具有接近100%的法拉第效率。
图4.Fe-Co-P/NF在碱性介质中的电催化活性。
要点四：探究了Fe-Co-P多异质结构具有优异催化性能的内在机理
通过理论计算，证明了构建Fe-Co-P多异质结构可以调节反应中间体（*H, *OH, *O, *OOH）在活性位点上的吸附此外，Fe的引入造成了Co和Fe之间的电荷转移，调节了局部电子状态。这些因素是催化剂具有优异性能的内在原因。
图5.(a)不同组分催化剂的氢吸附自由能图。（b）不同组分在碱性条件下对*OH, *O, *OOH的吸附自由能。（c） Fe-Co-P的差分电荷密度计算。
文 章 链 接
Fe-Co-P multi-heterostructure arrays for efficient electrocatalytic water splitting
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA06603J#!divAbstract