高功能氨基磷酸钴纳米片用于电催化碱性盐水氧化

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第一作者：宋中间

通讯作者：骆静利*

单元：深圳大学

论文DOI: 10.1002/advs.202100498

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该研究报道了一种新型氨基磷酸钴纳米片用于析氧反响（OER）催化剂, 通过优化纳米片厚度，进步催化剂质料电化学活性面积，实现了氨基磷酸钴纳米片催化剂在碱性水和盐水电解液中优秀的电化学性能和稳健性。X-射线汲取光谱阐发评释氨基磷酸钴纳米片中的Co会由Co2+活化成Co3+，Co3+作为有用活性位点可以促进电解水析氧反响的举行。该高性能钴基纳米片催化剂的开辟对实现低本钱电解水制氢尤其是电解海水的进展具有紧张意义。

配景先容

面临能源斲丧和睦候改变题目，查找零碳、零污染的干净能源实现“碳中和”目的，成为进展可连续能源的主要计谋目标。氢能具有干净、高热值、零排放等上风，成为替换化石燃料推进能源干净低碳转型的要害载体。水电解制氢被以为是将来制氢的进展偏向，但是电解水的阳极氧化反响(OER)动力学迟钝、过电位高，成为限定电解水制氢的重要挑衅。本篇报道了一种新型氨基磷酸钴二维纳米片催化剂，在用于碱性电解水析氧反响中，该催化剂展示出了优秀的电化学析氧性能。更紧张的是，在具有挑衅性的碱性盐水情况中，该氨基磷酸钴纳米片催化剂也体现出了优秀的催化性能和电化学稳健性。该过渡金属钴基催化剂的进展有助于替换贵金属IrO2，RuO2催化剂实现低本钱电解水制氢。

本文亮点

1. 本研究设计合成了一类氨基磷酸钴纳米片，合成要领简洁、能耗低，易于范围化扩大。

2. 通过优化氨基磷酸钴纳米片厚度，进步催化剂质料电化学活性面积，实现了该类催化剂在碱性水和盐水电解液中优秀的电化学性能和稳健性。

图文剖析

1. 氨基磷酸钴纳米片电解水析氧反响

本研究在室温水相体系中采纳简洁低能耗的化学沉积要领合成了差别厚度的氨基磷酸钴纳米片质料。通过测试其电化学OER性能发觉，在碱性1.0 M KOH电解液中，该类钴基纳米片催化剂体现出优于贵金属IrO2的析氧性能。研究中通过优化纳米片的厚度发觉，拥有30 nm厚度的Gly-NCP 纳米片具有低的肇始电位和高的电流密度，体现出最优的OER活性。在孕育发生10 mA cm-2的电流密度下，Gly-NCP 纳米片仅必要265 mV的过电位，低于同类催化剂质料和大部门已报道的非贵金属催化剂。研究评释较高的电化学活性面积使得Gly-NCP纳米片体现出优异的OER 性能。较低的塔菲尔斜率和阻抗进一步验证了厚度较薄的Gly-NCP纳米片比同类高厚度质料在电催化OER上的上风。

图1. 氨基磷酸钴纳米片在1.0 M KOH电解液中的电化学OER性能。

2. 氨基磷酸钴纳米片催化盐水氧化反响

地球上拥有富厚的海水资源，假如催化剂质料不但可以或许实现纯水中电解还能实现海水或盐水中的稳健电解，那么在不久的未来利用电解海水取代稀缺的淡水资源将有利于实现电解水制氢的范围化应用。本研究在1.0 M KOH电解液中参加0.5 M NaCl来模仿海水情况，通过测试氨基磷酸钴纳米片在碱性盐水中的电化学性能和塔菲尔斜率转化，发觉Gly-NCP体现出优于同类催化质料的OER性能。别的，在10mAcm-2电流下，Gly-NCP在盐水中仅必要252 mV的过电位，优于碱性纯水中的性能。

图2. 氨基磷酸钴纳米片在1.0 M KOH+0.5 M NaCl电解液中的OER活性和稳健性。

3. 碱性盐水中OER永劫间稳健性

除了电化学活性，盐水中永劫间稳健性也是评估催化剂质料的一个紧张指标。研究中通过测试20小时内孕育发生OER恒电流时催化剂质料的电位，发觉孕育发生10mA cm-2的电流下，Gly-NCP纳米片的电位在20 h后会消耗13 mV，而IrO2催化剂划一条件下会孕育发生60 mV的消耗。通过测试和比拟Gly-NCP纳米片初始和20 h 后的LSV曲线， Gly-NCP纳米片催化剂在性能上体现出了精良的重现性，评释此催化剂质料具有优秀的电化学稳健性。Gly-NCP优秀的电化学稳健性归因于：1）磷酸钴盐质料自身稳健性强，在酸碱水溶液中的溶解度很低，以是体现出了比力好的稳健性；相比而言，高电位下IrO2会被氧化成IrO42-可溶性离子溶于电解液中，从而消耗催化剂活性；2）Gly-NCP催化剂展示出高的OER活性，使得OER在远低于Cl氧化反响的电位下举行，是以磷酸钴盐在OER反响中没有产生Cl氧化反响天生ClO-，被腐化溶解的概率降落，以是体现出较好的稳健性。

4. 活性位点和反响机理的探究

同步辐射表征技能对Gly-NCP磷酸钴纳米片中Co元素近边和扩展边汲取谱的阐发发觉。在电化学OER测试之前，Gly-NCP中的Co和尺度样LiCoPO4相近体现出氧化态Co2+。在20 h电化学稳健性测试之后，阐发Gly-NCP中的Co发觉，其化学态产生了显着的改变，体现出雷同LiCoO2 中Co3+的化学形态。联合CV曲线中Co元素的氧化还原峰，研究得出结论在电化学测试历程中Gly-NCP中的Co元素会由正二价活化成正三价，Co3+作为OER的有用活性位点催化析氧反响的举行。

图4. 氨基磷酸钴纳米片中Co元素同步辐射近边和扩展边汲取谱的阐发研究。

重要作者先容

第一作者

宋中间，深圳大学质料学院副研究员，加拿大西安大抵大学博士。重要研究偏向为：原子层沉积技能合成贵金属/非贵金属电化学催化剂，纳米催化剂在氢-氧燃料电池中的应用，单原子催化在电催化范畴的研究等。以第一作者/配合作者在Advanced Energy Materials, ACS Catalysis, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Materials Horizons, Energy Storage Materials 等杂志上颁发SCI学术论文20余篇。

通讯作者

骆静利，加拿大工程院院士，深圳大学特聘传授。恒久从事燃料电池及能源质料等范畴的研究，研制开辟了新型燃料电池历程和新能源质料，在绿色能源和二氧化碳的接纳使用方面有紧张研究奉献。颁发论文 300多篇, 6 个美国专利，参加撰写专著一本，编辑论文集三部。

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