【引言】

人們普遍認為，納米通過電催化水分解來實現氫氣的片組可持續生產，是裝分獲得可再生能源和清潔能源的一種很有前途的方法。高效的納米電催化劑總是被要求加速緩慢的陽極產氧反應（OER）和相當不穩定的陰極產氫反應（HER）。目前，片組稀缺性和高成本已經限制了貴金屬催化劑的裝分大規模應用（例如，進行OER的納米RuO₂/IrO₂，進行HER的片組 Pt）。因此，裝分地球上儲量豐富的納米替代品已經廣泛地應用于電催化水的分離，例如過渡金屬氧化物、片組氫氧化物、裝分磷酸鹽和聚合物碳氮化物用于OER，納米，片組而硫化物、裝分磷化物、碳化物和非金屬基雜化用于HER。雖然在這一領域研究人員取得了顯著的進展，但在迄今為止報告的這些催化劑中，很少有能夠有效地在相同的pH值范圍內推動HER和OER。這是因為活躍的OER催化劑通常在中性或堿性介質中能夠很好地工作，而大多數HER催化劑在酸性介質中表現更好。因此，尋找具有高活性的雙功能催化劑，在相同的電解液中具有高活性的雙功能催化劑，是一個重要的課題。最近，過渡金屬的磷化物成為了一種有潛力的雙功能催化劑，用于整個水的分解，因為P元素可以通過充當HER的基地來捕獲質子，同時促進了對OER的過氧化反應。然而，高效磷化物催化劑的發展仍然不夠，因為它需要一些合理的有利的復雜納米結構的設計。

二維材料，例如納米片，已經展現出高的比表面積以及奇特的電學性能，是一種極具前景的水解催化劑，此外，二維納米片固有的柔性使它們能夠構建各種復合結構來實現性能的提升甚至是產生新性能。在眾多二維納米片自組裝方法中，模板調節法是一種能夠誘導組裝形成自組裝法難以實現的獨特結構，比如一維納米管，三維納米盒。但是，這類方法通常會產生由隨機交錯的納米薄片構成的裝配。由于令人生畏的挑戰，在模板結構/基底上制備有序的定向納米片鮮有報道，更不用說在非異向性納米粒子上了。

【成果簡介】

近日，來自浙江師范大學的胡勇教授以及新加坡南洋理工大學的樓雄文教授（共同通訊）團隊在Energy. Environ. Sci.發文，題為：“Construction of hierarchical Ni-Co-P hollow nanobricks with oriented nanosheets for efficient overall water splitting”。研究人員采用模板——輔助的策略以及隨后的連續刻蝕，磷化處理以及二維納米片的定向組裝制備了開放的分層的Ag摻雜Ni-Co-P空心納米磚(HNBs) 。得益于具有大比表面積以及質量擴散途徑獨特的納米結構，Ni–Co–P HNBs 展現了高的電催化活性：OER: 10 mA cm^-2，過電位270mv；HER：10 mA cm^-2，過電位107mv。并全在堿性溶液中展現了出色的穩定性。當將其用于全解水時，電流密度在10 mA cm^-2時，電池電壓僅為1.62V。

【圖文導讀】

圖1. 合成示意圖

分層Ni–Co–P空心納米磚示意圖；

圖2. 結構表征

(a，b) Ag₂WO₄SNBs的FESEM和相應的TEM圖；

(c，d) Ag₂WO₄@Ni–Co前驅體核殼SNBs的FESEM和相應的TEM圖；

(e，f) Ni–Co–O HNBs的FESEM和相應的TEM圖；

圖3. Ni–Co–P HNBs結構表征

(a，b) Ni–Co–P的HNBs FESEM圖；

(c) Ni–Co–P HNBs的TEM圖；

(d) Ni–Co–P HNBs的HRTEM；

(e) Ni–Co–P HNBs的STEM圖；

元素分布圖：(f) Ni, (g) Co, (h) P；

圖4. 催化性能表征

(a，d) Ni–Co–P HNBs和Ni–Co–P納米片的極化曲線；

(b) Ni–Co–P HNBs和Ni–Co–P納米片的OER塔菲爾斜率；

(e) Ni–Co–P HNBs和Ni–Co–P納米片的HER塔菲爾斜率；

(c)OER穩定性；

(f) HER穩定性；

圖5. 全水解性能

(a)分層的Ni–Co–P HNBs和Ni–Co–P納米片用于全水解的極化曲線。插圖為全水解電池照片；

(b)分層的Ni–Co–P HNBs在1.62V的全水解計時電流曲線；

圖6. DFT計算

(a) 自由能計算；

(b) Ni–Co–P和結合Ag的 Ni–Co–P的水吸附能；

【總結】

研究人員首次開發了一種可將二維納米片組裝為分層的三維納米結構的方法。模板的持續刻蝕以及磷化過程之后，中空分層的Ni–Co–P空心納米磚(HNBs) 相比非規則的Ni–Co–P 納米片, Ni–Co–P HNBs 是一種更高效的雙功能全解水電催化劑。OER: 10 mA cm^-2，過電位270mv；HER：10 mA cm^-2，過電位107mv。并全在堿性溶液中展現了出色的穩定性。當將其用于全解水時，電流密度在10 mA cm^-2時，電池電壓僅為1.62V。

文獻鏈接：Construction of hierarchical Ni-Co-P hollow nanobricks with oriented nanosheets for efficient overall water splitting, (Energy. Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00076J)

此前，該課題組在開發新型過渡金屬磷化物電催化材料方面也取得了一定的進展，課題組通過配體交換反應巧妙的制備了生長在泡沫鎳基底上的Fe摻雜CoP空心三角板陣列，該催化劑在全分解水方面具有優異的電催化性能和很好的穩定性，相應成果發表在期刊《Small》（IF=8.643）上。文章鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201704233/full

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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