【引言】

人們普遍認(rèn)為，納米通過電催化水分解來實(shí)現(xiàn)氫氣的片組可持續(xù)生產(chǎn)，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(chǎn)氧反應(yīng)（OER）和相當(dāng)不穩(wěn)定的陰極產(chǎn)氫反應(yīng)（HER）。目前，片組稀缺性和高成本已經(jīng)限制了貴金屬催化劑的裝分大規(guī)模應(yīng)用（例如，進(jìn)行OER的納米RuO₂/IrO₂，進(jìn)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(jīng)廣泛地應(yīng)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(lǐng)域研究人員取得了顯著的進(jìn)展，但在迄今為止報(bào)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(nèi)推動HER和OER。這是因?yàn)榛钴S的OER催化劑通常在中性或堿性介質(zhì)中能夠很好地工作，而大多數(shù)HER催化劑在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)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(gè)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(gè)水的分解，因?yàn)镻元素可以通過充當(dāng)HER的基地來捕獲質(zhì)子，同時(shí)促進(jìn)了對OER的過氧化反應(yīng)。然而，高效磷化物催化劑的發(fā)展仍然不夠，因?yàn)樗枰恍┖侠淼挠欣膹?fù)雜納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

二維材料，例如納米片，已經(jīng)展現(xiàn)出高的比表面積以及奇特的電學(xué)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(gòu)建各種復(fù)合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)性能的提升甚至是產(chǎn)生新性能。在眾多二維納米片自組裝方法中，模板調(diào)節(jié)法是一種能夠誘導(dǎo)組裝形成自組裝法難以實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，比如一維納米管，三維納米盒。但是，這類方法通常會產(chǎn)生由隨機(jī)交錯的納米薄片構(gòu)成的裝配。由于令人生畏的挑戰(zhàn)，在模板結(jié)構(gòu)/基底上制備有序的定向納米片鮮有報(bào)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(xué)的胡勇教授以及新加坡南洋理工大學(xué)的樓雄文教授（共同通訊）團(tuán)隊(duì)在Energy. Environ. Sci.發(fā)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(xù)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(zhì)量擴(kuò)散途徑獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，Ni–Co–P HNBs 展現(xiàn)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(xiàn)了出色的穩(wěn)定性。當(dāng)將其用于全解水時(shí)，電流密度在10 mA cm^-2時(shí)，電池電壓僅為1.62V。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 合成示意圖

分層Ni–Co–P空心納米磚示意圖；

圖2. 結(jié)構(gòu)表征

(a，b) Ag₂WO₄SNBs的FESEM和相應(yīng)的TEM圖；

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

(e，f) Ni–Co–O HNBs的FESEM和相應(yīng)的TEM圖；

圖3. Ni–Co–P HNBs結(jié)構(gòu)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(wěn)定性；

(f) HER穩(wěn)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(jì)時(shí)電流曲線；

圖6. DFT計(jì)算

(a) 自由能計(jì)算；

(b) Ni–Co–P和結(jié)合Ag的 Ni–Co–P的水吸附能；

【總結(jié)】

研究人員首次開發(fā)了一種可將二維納米片組裝為分層的三維納米結(jié)構(gòu)的方法。模板的持續(xù)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(guī)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(xiàn)了出色的穩(wěn)定性。當(dāng)將其用于全解水時(shí)，電流密度在10 mA cm^-2時(shí)，電池電壓僅為1.62V。

文獻(xiàn)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(fā)新型過渡金屬磷化物電催化材料方面也取得了一定的進(jìn)展，課題組通過配體交換反應(yīng)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(yōu)異的電催化性能和很好的穩(wěn)定性，相應(yīng)成果發(fā)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(xué)術(shù)組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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