上海交大Adv. Energy Mater.：高效Mott–Schottky整体水分解催化剂-Co/CoP Janus纳米粒子

【引言】

电化学水裂解反应，包括析氢反应（HER）和析氧反应（OER），这为生产高纯氢气作为可持续燃料提供了一种可行的方法。而正在研究的核心问题是开发高效的电催化剂，以克服迟缓的动力学和加速H₂和O₂在低超电势的演化速率。贵金属（例如Pt，Rh，Ir）和贵金属氧化物（例如，IrO₂，RuO₂）催化剂分别具有所需的HER和OER活性。然而，这些贵金属的稀缺性和高成本阻碍了它们的大规模应用。因此人们非常希望开发用于高效率、低成本的水分解电催化剂。迄今为止，已经为酸性电解质中的HER和碱性电解质中的OER设计了许多潜在的土壤中富含的材料候选物。然而尽管付出了巨大的努力，用于HER和OER的强大且普通的水分解电催化剂在各种电解质中实现有效的总体水分解仍然很少用于实际应用。因此，有吸引力的是制造在pH0-14下对HER和OER都显示高活性的双功能催化剂。

最近，一些双功能电催化剂已经通过在一个纳米复合材料中结合HER和OER活性组分而成功地合成。在这些双功能电催化剂中，过渡金属基纳米复合材料具有作为用于大量生产氢气的便宜且稳定的电极材料的巨大潜力。有这样一个共识，HER和OER活性组分之间的强偶联界面由于可能的协同效应和在不同组分的界面处的增强的电子转移效率，通常显着促进这些混合电催化剂的最终性能。除了这些基于过渡金属-纳米复合物的电催化剂的官能化和偶联之外，扩展这些电催化剂与电解质类型的相容性也已经成为电催化领域中最重要的研究课题之一。例如，已经研究了金属和金属磷化物基材料作为在酸性和碱性电解质中具有高活性和稳定性的一般HER电催化剂。作为涉及两个水分子的四电子氧化反应的能量上坡反应，OER特别需要比用于HER的过电位大得多的过电位。通常，促进OER电催化剂在酸性和碱性电解质中的活性仍然是对用于在宽pH范围内的整体水分解的双功能电催化剂的合理设计的巨大挑战。

【成果简介】

为了解决这些问题，近日，上海交通大学化学化工学院的李新昊课题组在Adv. Energy Mater.上发文，题为“Janus Co/CoP Nanoparticles as Efficient Mott–Schottky Electrocatalysts for Overall Water Splitting in Wide pH Range”。在这项研究中，研究人员提出了一种概念验证策略，通过在金属-半导体界面的Janus (两面神)Co / CoP纳米粒子的Mott–Schottky效应，在酸性、中性和碱性电解质中促进钴和钴的二元体的HER和OER活性。应用真空扩散法控制碳包覆的Co纳米颗粒的磷化程度。合理控制Janus Co / CoP纳米颗粒中的CoP含量并因此构建优化的Mott-Schottky电催化剂的成功导致在不同电解质中从酸到碱的显着促进的OER和HER活性。更重要的是，双功能Co / CoP电催化剂更够长期工作，而没有明显的水分解活性的降低。

【图文导读】

图一：材料的合成及形貌

a）合成方法，b）TEM和c）碳包覆的Janus Co / CoP-5纳米颗粒的HRTEM图像。 d）XRD图谱和e）Co和Co / CoP-5样品的Co 2p XPS光谱。

图二：LSV曲线以及Tafel斜率

相对于Co，Co / CoP-x（x = 3,5和7）和CoP样品的 a）HER和 b）OER的iR校正的LSV曲线以及在1M KOH电解质中 c）HER和d）OER相应的Tafel斜率（催化剂负载：0.22mg cm^-2）。

图三：总体水电解的iR校正的LSV曲线和相应的计时电位曲线

使用Co / CoP-5作为双功能电极材料以及在

a，b）1.0M KOH，c，d）1.0M PBS和 e，f）0.5M H₂SO₄中的总体水电解的iR校正的LSV曲线和相应的计时电位曲线。 催化剂负载：5.0mg cm ^-2。

图四：材料的HRTEM图像及XPS光谱

a）对于HER和OER，在1.0M KOH电解质中的Co，Co / CoP-x和CoP样品在-0.30和1.60V(相对于RHE)的电流密度。

b）典型的Co / CoP-5纳米颗粒的组成线轮廓。

c）金属Co，CoP和Co / CoP基Mott-Schottky接触（EF：功函数; EC：导带; EV：价带）的电子结构。

d）典型的Co / CoP-5纳米颗粒的HRTEM图像。 Co（蓝色）和CoP（红色）的界面在（d）中用黄色虚线标记。

 e）基于XPS分析结果，Co，Co / CoP-x和CoP样品表面上的磷含量。

f）Co / CoP-3，Co / CoP-5和CoP样品的Co 2p XPS光谱。

【总结】

本文通过将Co纳米颗粒逐步磷化成Janus（两面神） Co / CoP纳米颗粒来制备Mott-Schottky电催化剂。 在Co / CoP界面处的电子的再分布通常促进酸、碱和中性电解质中的HER和OER活性，极大地延长了它们在水分解装置中作为高效且稳定的电极材料的应用。这项研究开辟了一个令人兴奋的新途径，探讨由过渡金属及其氧化物、硫族化物、氮化物或磷化物制成的Mott-Schottky电催化剂用于水分解反应，燃料电池和有机合成。

文献链接：Janus Co/CoP Nanoparticles as Efficient Mott–Schottky Electrocatalysts for Overall Water Splitting in Wide pH Range（Adv. Energy Mater，2017，DOI: 10.1002/aenm.201602355）

本文由材料人新能源组 背逆时光 供稿，材料牛编辑整理。

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