氫能作為一種能量高、潔凈的可再生能源受到廣泛關(guān)注。通過電化學(xué)水解制備氫氣是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。近年來，全水解電極催化劑的設(shè)計制備取得了矚目的研究成果。然而，尋找能在中性水電解質(zhì)中同時展現(xiàn)高活性、高穩(wěn)定性的水氧化和還原非貴金屬電催化劑仍然是電解水制氫研究領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授團(tuán)隊(duì)和高敏銳教授課題組采用簡單的電化學(xué)沉積和固相磷化兩步反應(yīng)，設(shè)計并成功制備了鎳摻雜的磷化鈷（Ni0.1Co0.9P）三元納米片電催化劑。相比于純的Ni2P和CoP，摻雜后的材料在中性條件下同時展現(xiàn)出優(yōu)異的水還原和氧化電催化活性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)人員將這種三元材料作為中性水全分解電解池的陰極和陽極，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于以商業(yè)貴金屬材料作為電極制備的電解池。研究成果以“AJanusNickelCobaltPhosphideCatalystforHigh-efficiencyNeutral-pHWaterSplitting”為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew.Chem.Int.Ed.2018,57,15445–15449），并被選為HotPaper和內(nèi)封底封面。論文的共同第一作者是中國科大博士研究生吳睿、西安交通大學(xué)肖冰教授和中國科大高強(qiáng)特任副研究員。

研究人員制備的Ni0.1Co0.9P三元納米催化劑具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于電化學(xué)反應(yīng)中的傳質(zhì)過程。在中性電解液中，其水還原電流密度達(dá)到10mA/cm2時所需電勢為125mV，而其水氧化反應(yīng)在電流密度達(dá)到10mA/cm2時所需電勢為1.79V，展現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C和Ir/C電催化相媲美的催化性能。機(jī)理研究表明，這種新型Ni0.1Co0.9P三元納米片相比于純的CoP結(jié)構(gòu)，Ni原子的摻雜導(dǎo)致其晶胞發(fā)生收縮，從而壓縮Co-P鍵的鍵長，引起局域Co氧化態(tài)的升高。理論計算結(jié)果證實(shí)，這種Ni摻雜引起的電子態(tài)變化會降低催化劑在中性水氧化和還原反應(yīng)過程中活性位點(diǎn)與中間產(chǎn)物的吸附自由能，賦予催化劑優(yōu)異的催化性能。

圖Ni0.1Co0.9P三元納米電催化劑的水氧化和水還原催化活性及其器件性能評估

研究人員進(jìn)一步將制備的Ni0.1Co0.9P三元納米催化劑作為雙電極構(gòu)筑了水全分解電解池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在中性水電解質(zhì)中，該器件性能優(yōu)于以商業(yè)Pt/C||Ir/C為電極材料構(gòu)筑的電解池，展現(xiàn)了工業(yè)級電解水制氫的潛能。這項(xiàng)工作為發(fā)展廉價三元過渡金屬磷化物作為電極用以中性水電解制氫提供了新的研究思路，展現(xiàn)了潛在的商業(yè)應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等資助。