Adv. Mater：Fe-CoP纳米阵列-单片多功能高效产氢催化剂

【引言】

电解水反应现在关注度持续升温，析氧（OER）反应和析氢（HER）反应，是电解水中两个半反应。起始过电位（η），塔菲尔斜率（Tafel slope）为主要参数。目前已被报道的Co-P双功能催化剂显示出较好的催化活性¹，但关于NaBH₄分解产氢却未曾研究。

【成果简介】

此前，硼氢化钠产氢的催化剂主要集中在Co-B^{2, 3}（ESI高被引论文），Co-P-B⁴（ESI高被引论文）和Ni-Co-B⁵（ESI高被引论文）等非贵金属催化剂上；铂系催化剂集中在Pt/CeO₂⁶（ESI高被引论文）和Ru/Pd⁷（ESI高被引论文）。

10月31日，Advanced Materials在线发表四川大学化工学院孙旭平教授课题组，题为“Fe-CoP纳米阵列：单片多功能高效产氢催化剂”（Fe-Doped CoP Nanoarray: A Monolithic Multifunctional Catalyst for Highly Efficient Hydrogen Generation）的研究论文⁸。本文亮点：在碱性条件下，Fe掺杂Co-P催化剂可应用于HER，OER和NaBH₄分解产氢。

【图文导读】

图1.Fe掺杂Co-P催化剂的水解产氢速率快，活化能为43.4kJ/mol，经过5次循环测试无明显衰减

a）Ti箔（左）和Fe-CoP/Ti（右）上催化的NaBH₄水解的光学照片。

b）在不同NaBH₄浓度下Fe-CoP/Ti催化的NaBH₄水解（1wt％NaOH）产气体积图(1.03mg Fe-CoP，25℃)。

c）在3mL溶液（1wt％NaBH₄和1wt％NaOH）下在不同温度下，Fe-CoP/Ti催化的NaBH₄水解的氢气体积对时间的图（插图：相应的Arrhenius图）。

d）在3mL反应溶液(1wt％NaBH₄与1wt％NaOH)中，Fe-CoP/Ti水解NaBH₄的可重复性。

图2. HER过电位78 mV（10 mA cm⁻²）接近Pt/C，OER过电位230 mV（10 mA cm⁻²）优于RuO₂。

（a）HER线性扫描伏安曲线      （b）HER对应的塔菲尔斜率；

（c）OER线性扫描伏安曲线     （d）OER对应的塔菲尔斜率。

图3. Fe掺杂Co-P纳米阵列表征

针状形貌为Co-P纳米线，元素Mapping图显示Fe均匀掺杂在纳米线表面，Fe-CoP的XPS谱，在712.5和725.3 eV处两个峰，分别对应Fe2p_3/2和Fe2p_1/2的结合能位置，证实Fe³⁺的存在。

图3 Fe掺杂Co-P纳米阵列的（a）SEM图，（b）局部放大SEM图像，（c）元素Mapping分析以及（d）XPS图谱。

【展望】

这项研究在设计三元或掺杂过渡金属磷化物纳米阵列作为成本低、高效、坚固的多功能材料的应用方面具有参考意义。利用在Ti箔上生长的Fe-CoP纳米阵列催化剂显示优良的电化学水分解的催化性能，在碱性条件下NaBH₄的水解脱氢也呈现了较低的活化能（39.6 kJ mol^-1）。

原文链接：Fe-Doped CoP Nanoarray: A Monolithic Multifunctional Catalyst for Highly Efficient Hydrogen Generation  (Adv. Mater.，2016，DOI:10.1002/adma.201602441)

【孙旭平教授简介】

孙旭平教授，1997年本科毕业于西华师范大学化学化工学院，2005年于中科院长春应化所获分析化学博士学位，2008年获全国百篇优秀博士论文。2006-2009年先后在德国康斯坦茨大学、加拿大多伦多大学及美国普渡大学从事博士后研究工作，2010年1月聘为长春应化所研究员，2011年聘为沙特国王大学兼职教授，2015年10月从应化所全职引入四川大学。目前，已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Nucleic Acids Res.、Chem. Mater.、ACS Catal.、ChemSusChem、Anal. Chem.等刊物发表研究论文260余篇，22篇论文入选ESI数据库高被引论文，5篇论文入选ESI数据库热点论文，2篇论文入选2014年中国百篇最具影响国际学术论文；论文他引6000余次，H-index 49。

参考文献：

1. Jiang N, You B, Sheng M, Sun Y. Electrodeposited Cobalt-Phosphorous-Derived Films as Competent Bifunctional Catalysts for Overall Water Splitting. Angewandte Chemie International Edition 2015, 54(21): 6251-6254.被引频次: 88

2. Zhao J, Ma H, Chen J. Improved hydrogen generation from alkaline solution using carbon-supported as catalysts. International Journal of Hydrogen Energy 2007, 32(18): 4711-4716. 被引频次: 117

3. Dai H-B, Liang Y, Wang P, Cheng H-M. Amorphous cobalt–boron/nickel foam as an effective catalyst for hydrogen generation from alkaline sodium borohydride solution. Journal of Power Sources 2008, 177(1): 17-23. 被引频次: 117

4. Patel N, Fernandes R, Miotello A. Hydrogen generation by hydrolysis of NaBH4 with efficient Co-P-B catalyst: A kinetic study. Journal of Power Sources 2009, 188(2): 411-420.被引频次: 93

5. Ingersoll JC, Mani N, Thenmozhiyal JC, Muthaiah A. Catalytic hydrolysis of sodium borohydride by a novel nickel–cobalt–boride catalyst. Journal of Power Sources 2007, 173(1): 450-457.被引频次: 139

6. Wang X, Liu DP, Song SY, Zhang HJ. Pt@CeO2 Multicore@Shell Self-Assembled Nanospheres: Clean Synthesis, Structure Optimization, and Catalytic Applications. Journal of the American Chemical Society 2013, 135(42): 15864-15872.被引频次: 106

7. Metin O, Sahin S, Ozkar S. Water-soluble poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) stabilized ruthenium(0) and palladium(0) nanoclusters as highly active catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of ammonia-borane. International Journal of Hydrogen Energy 2009, 34(15): 6304-6313.被引频次: 135

8. Tang C, Zhang R, Lu W, He L, Jiang X, Asiri AM, et al. Fe-Doped CoP Nanoarray: A Monolithic Multifunctional Catalyst for Highly Efficient Hydrogen Generation. Advanced Materials: 2016, DOI: 10.1002/adma.201602441.

本文由材料人新能源学术组 pamperhey 整理。

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