原創 許瀚文等 科學材料站 2021-10-08
文 章 信 息
用于高效電催化水分解的 Fe-Co-P 多異質結構陣列
第一作者：許瀚文
通訊作者：木士春*
研 究 背 景
為解決日益嚴重的環境污染和化石能源危機，以及達到2050年左右碳中和的目標，人類社會迫切需要氫等清潔能源。在不同的制氫方法中，水電解制氫是較為成熟的方法之一。然而，電解水制氫過程中的兩個半反應，即陽極析氧反應（OER）和陰極析氫反應（HER）動力學過程緩慢，特別是前者，嚴重降低了水電解效率。目前，最好的水電解制氫催化劑仍是Pt 族貴金屬材料。為了降低電催化分解水的能耗和成本，開發穩定、高效的雙功能非貴金屬電催化劑成為人們的研究熱點。
文 章 簡 介
基于此，武漢理工大學木士春團隊設計并構筑了一種Fe-Co-P多異質結構雙功能催化劑（Fe-Co-P/NF）， 用于在堿性條件下高效驅動水電解解制氫。文中通過實驗結合理論計算證明了這種多異質結構可以調節局部電子結構，改善反應中間體在活性位點上的吸附。因此，在沒有貴金屬的情況下，所制備的 Fe-Co-P 多異質結構催化劑表現出非常高的催化性能。
圖1. 圖文摘要。
文 章 要 點
要點一：使用獨特的自犧牲模板法合成了Fe-Co-P多異質結構
本文使用自犧牲模板法，構筑了Fe-Co-P多異質結構。首先在泡沫鎳基底上合成了堿式碳酸鈷（CoCH）作為自犧牲模板以生長CoFe PBA陣列作為前驅體；隨后將前驅體在350℃下磷化，獲得最終的Fe-Co-P多異質結構（Co2P-FeP、CoP-FeP、Co2P-CoP）催化劑。
圖2. Fe-Co-P/NF催化劑的制備流程示意圖。
要點二: 通過結構表征證明了Fe-Co-P多異質結構的存在
通過XRD測試證明了產物中包含CoP, Co2P, FeP物相；并通過觀察TEM 高分辨圖像中的晶格條紋與兩相界面，進一步證明了產物中存在Co2P-FeP、CoP-FeP、Co2P-CoP等異質結構；如SEM圖像所示，得到的Fe-Co-P多異質結構催化劑具有開放的層次結構與獨特的三維形貌，可有效增加活性面積。XPS測試進一步表明Fe與Co之間存在電荷轉移；這些特征有利于提高材料的電催化活性。
圖3. Fe-Co-P/NF催化劑的結構表征。
要點三：催化劑具有優異的HER,OER與全水解活性
制備的 Fe-Co-P 多異質結構催化劑表現出優異的催化性能：僅需要 227 mV 和 87 mV 即可達到 OER 和 HER 的 20 和 10 mA cm-2 的電流密度，優于報道的大多數相關催化劑此外，當用于堿性電解槽時，它在 1.55 V 的電壓下可以提供 10 mA cm-2 的電流密度，優于商用 Pt/C-RuO2催化劑 (1.59 V), 并具有接近100%的法拉第效率。
圖4.Fe-Co-P/NF在堿性介質中的電催化活性。
要點四：探究了Fe-Co-P多異質結構具有優異催化性能的內在機理
通過理論計算，證明了構建Fe-Co-P多異質結構可以調節反應中間體（*H, *OH, *O, *OOH）在活性位點上的吸附此外，Fe的引入造成了Co和Fe之間的電荷轉移，調節了局部電子狀態。這些因素是催化劑具有優異性能的內在原因。
圖5.(a)不同組分催化劑的氫吸附自由能圖。（b）不同組分在堿性條件下對*OH, *O, *OOH的吸附自由能。（c） Fe-Co-P的差分電荷密度計算。
文 章 鏈 接
Fe-Co-P multi-heterostructure arrays for efficient electrocatalytic water splitting
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA06603J#!divAbstract