大连理工大学Adv. Funct. Mater.：Mott-Schottky集成电催化剂

【引言】

随着日益增长的能源消耗的需要，越来越多的研究关注于阴极析氧反应（OER）与阳极析氢反应（HER）催化剂，发展资源丰富、高活性、持久耐用的OER与HER电催化剂仍是一项挑战。众多非贵金属电催化剂材料中，过渡金属氧化物由于其价格低廉、资源丰富、毒性低、氧化还原性质丰富等特性而备受关注，其中Co基氧化物催化剂研究最为普遍，但这类氧化物的析氢催化性能较差，因此发展高效稳定的析氢与析氧双功能催化剂十分必要。

【成果简介】

近日，大连理工大学的孙立成教授，侯军刚教授（共同通讯作者）在Adv. Funct. Mater.上发表最新研究成果 “Promoting Active Sites in Core–Shell Nanowire Array as Mott–Schottky Electrocatalysts for Efficient and Stable Overall Water Splitting”。在该文中，研究者将氮掺杂的碳层引入金属-半导体纳米线阵列结构中集成为NC/CuCo/CuCoO_x纳米线阵列Mott-Schottky电催化剂，构建了金属与半导体之间的高速传输通道，以该阵列电极为正负极电解水时在电压为1.53 V时其电流密度为10 mA cm^-2。NC/CuCo/CuCoO_x纳米线阵列电极导电性高、比表面积大、活性位点丰富，除此之外，金属、半导体、氮掺杂碳之间的协同作用构筑了阵列电极中连续高速的电子传输通道，因而该纳米线阵列电极表现出优异的全水电解的催化性能。

【图文导读】

图1 NC/CuCo/CuCoO_x壳核纳米线阵列制备流程与电催化结构示意图

（a）NC/CuCo/CuCoO_x壳核纳米线阵列制备流程示意图；

（b）NC/CuCo/CuCoO_x电催化剂模型；

（c）电子传输构型；

（d）NC/CuCo/CuCoO_x OER与HER电催化剂两电极结构示意图。

图2 NC/CuCo/CuCoO_x与CuCoO、NC/Cu/CuO_x、NC/Co/CoO_x形貌对比

（a-c）SEM图；                      （d-i）TEM图；
（j）HAADF-STEM图；     （k-o）元素谱图
（p）NC/CuO/CuCoO_x纳米线示意图
（a, b, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p） NC/CuO/CuCoO_x
（c, d）CuCoO
（e）     NC/Cu/CuO_x
（f）      NC/Co/CoO_x

图3 高分辨XPS谱图与EPR谱图

（a）Cu 2p；   （b）Co 2p；
（c）O 1s；      （d）C 1s；
（e）N 1s；      （f）EPR谱图。

图4 CoCuO、CuCo/CuCoO_x、NC/CuCo/CuCoO_x Raman、FT-IR、N₂吸附脱附表征

（a）Raman；                             （b）FT-IR；
（c）N₂吸附-脱附曲线；       （d）BJH孔径分布曲线。

图5 HER性能表征

（a，b）CuCo基阵列HER极化曲线；

（c）Tafel斜率；

（d）-0.15 V(vs. RHE) 时的Nyquist；

（e）NC/Co/CoO_x、NC/Cu/CuO_x、NC/CuCo/CuCoO_x电极双电层电容；

（f）NC/CuCo/CuCoO_x阵列在-0.15 V(vs. RHE) 时电流密度与时间的关系曲线。

图6 OER性能表征

（a，b）OER极化曲线；

（c）Tafel曲线；

（d）NC/CuCo/CuCoO_x阵列在1.55 V(vs. RHE) 时电流密度与时间的关系曲线。

图7 全水电解性能图

（a）全水电解性能；

（b）以NC/CuCo/CuCoO_x阵列为阳极和阴极电解水时，不同电压下的电流密度与时间的关系曲线；

（c）模型图解；

（d）Mott-Schottky双功能电催化剂持续电子传输高速通道示意图。

【小结】

研究者基于金属纳米合金与多种缺陷化金属氧化物纳米线阵列制备了金属-半导体复合Mott-Schottky电催化剂，将氮掺杂碳层引入金属-半导体纳米线阵列后构成核壳结构NC/CuCo/CuCoO_x纳米线阵列，在金属与半导体之间构筑了连续高速电子传输通道。该纳米线阵列电极表现出优异的析氢与析氧双功能催化性能，由于其优异的导电性、高比表面积与高催化活性，纳米线阵列电极同时作为电解水的正极与负极时电解水性能优异，电流密度为10 mA cm^-2时电解电压为1.53 V。该项研究工作开辟了设计稳定高效的Mott-Schottky双功能催化剂的新思路。

文献链接：Promoting Active Sites in Core–Shell Nanowire Array as Mott–Schottky Electrocatalysts for Efficient and Stable Overall Water Splitting，(Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201704447)

【团队介绍】

孙立成教授团队以可再生能源转换及储存等国家重大战略需求为导向，以“大连理工大学–瑞典皇家工学院分子器件联合研究中心” ( DUT-KTH Joint Education and Research Center on Molecular Devices)为国际合作交流平台，在分子层面上开展高效低成本太阳能电池与太阳能燃料的研究工作，具体包括光催化水分解催化剂及器件制备、染料敏化/钙钛矿太阳能电池、光/电化学驱动CO2 还原制燃料等。孙立成教授团队，除他本人外还包括王梅教授、侯军刚教授、 Gagik Gurzadyan 教授、杨希川副教授、李斐副教授、高岩副教授、刘进轩副教授、于泽副教授、张培立副教授、吴秀娟讲师、王瑜工程师、段丽娜、单宇、李福胜博士后及研究生等 90 余人。团队承担了“973计划”前期专项、“973计划”课题，国家自然科学基金重点项目、重大（重点）国际合作与交流项目、重大研究计划重点支持项目、面上项目等国家科技部和国家自然科学基金委项目共20余项，在Science, Nature Chem ., Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Adv. Mater. 等重要国际期刊上发表SCI论文近 400 篇，国际大会邀请报告( Plenary, Keynote and Invited Lecture ) 100 余次。自2008年至今，与中科院大连化物所共同主办的“太阳能燃料与太阳能电池国际学术会议”，已在大连成功举办了五届，力争打造成中国版的高登精品会议。联合清华大学和瑞士洛桑高工，成功获批中欧工程教育联盟的中欧可持续工程博士生院项目。团队成员Gurzadyan教授及工作人员还搭建了飞秒超快光谱测定平台，团队成员在纳微功能器件制备及快速光化学、光物理等研究方面提供技术支撑。点我了解更多团队信息。

本文由材料人新能源小组曾沙供稿。

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