​中南/港理工AFM：双功能Ni2P/FeP催化剂实现高效全水解

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​中南/港理工AFM：双功能Ni2P/FeP催化剂实现高效全水解
化石燃料的快速消耗，促使研究人员在当今世界寻求新的可持续能源。水分解产生的氢因其高热值和无污染的特性而备受关注。目前，利用电解水制氢的发展主要受到阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)催化效率低的限制，催化效率与催化剂活性密切相关，如高活性的催化剂仅需要较低的过电位，就可以大大提高电解水过程的产氢效率，减弱能源消耗。
然而，现有的商业电催化剂，如阴极Pt/C催化剂和阳极RuO2催化剂，都十分稀缺且昂贵。因此，寻找低成本、高活性的电催化剂是发展电解水技术的迫切需求。
基于此，中南大学谭鹏飞、潘军和香港理工大学Yang Ke(共同通讯)等人在泡沫铁(FF)上制备了一种高活性的Ni2P/FeP异质结构双功能电催化剂(Ni2P/FeP-FF)，该催化剂展现出了优异的全解水性能。
​中南/港理工AFM：双功能Ni2P/FeP催化剂实现高效全水解
本文使用标准的三电极体系在1.0 M KOH中测试了Ni2P-NF、Ni2P/FeP-FF和FeP-FF的电催化OER和HER性能。为了对比，本文同时测试了商业电催化剂Pt/C和RuO2的性能。对于OER，Ni2P/FeP-FF达到10、50和100 mA cm-2的电流密度仅需要217、235和250 mV的低过电位，优于Ni2P-NF和FeP-FF，以及商业RuO2电催化剂。
此外，根据极化曲线还发现，相对于Ni2P-NF(56.6 mV dec-1)、FeP-FF(78.7 mV dec-1)和RuO2(94.9 mV dec-1)，Ni2P/FeP-FF的Tafel斜率更低，为31.9 mV dec-1，这说明其OER具有更快的动力学过程。对于HER，Ni2P/FeP-FF同样仅需要极低的过电位(42 mV和207 mV)就可以分别达到10和100 mA cm-2的电流密度，优于Ni2P-NF、FeP-FF和商业Pt/C电催化剂，表现出了优异的电催化性能。
巧合的是，相比于Ni2P-NF(5.44 Ω)、FeP-FF(9.44 Ω)和商业Pt/C(7.67 Ω)，Ni2P/FeP-FF(1.26 Ω)的电荷转移电阻更低，Tafel斜率结果也与这一结果一致，进一步证实了Ni2P/FeP-FF具有较高的催化活性。Ni2P/FeP-FF优异的HER和OER性能促使本文进一步探索其商业应用潜力，因此本文构建了同时以Ni2P/FeP-FF为阴极和阳极的全解水系统。
通过极化曲线可以看出，全解水系统达到100 mA cm-2的电流密度只需要1.69 V的电压，并且该系统只需要≈2.05 V的电压就可以保持在100 mA cm-2，并且50小时内没有明显的波动，显示出极佳的全解水稳定性。
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为了进一步揭示催化剂HER的真正高活性中心，本文利用密度泛函理论(DFT)计算了催化剂中间态(H*)的吉布斯能和电子结构。DFT计算表明，与FeOOH和Ni(OH)2(分别为1.05和1.18 eV)相比，Ni2P的H吸附能较低(-0.84 eV)，这说明H更有利于在Ni2P表面吸附。
为了说明异质结构对Ni2P的影响，本文还计算了H在Ni2P/Ni(OH)2的Ni2P侧和独立Ni2P侧的吉布斯能。H在Ni2P/Ni(OH)2上的活化能比H在独立Ni2P上的活化能大，这表明异质结构可以有效地促进H的表面脱附，从而可以进一步提高催化剂的HER活性。
此外，通过电荷密度差可以进一步看出Ni的3d轨道和H的1s轨道之间有大量的电荷转移，因此吉布斯能的变化可以通过d带理论来理解。根据计算结果可以得知，在Ni2P/Ni(OH)2中，Ni的d带中心约为-1.51 eV，低于Ni2P(-0.98 eV)，这是因为Ni(OH)2向Ni2P的电荷转移导致了更多的电子填充到Ni2P中Ni的d轨道。因此，较低的d带中心导致催化剂的吸附能和吉布斯能增加，进而提高了催化剂的HER活性。
除上述结果外，结合本文的其他表征结果还可以得知，Ni能提高Ni2P/FeP-FF表面Fe-O的强度，促进OER过程中FeOOH高价相的形成，从而提高了催化剂的OER性能。本研究不仅构建了一种近商业化的双功能全水解催化剂，而且对Ni和Fe的协同催化机理提供了深入的认识。
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Unraveling the synergistic mechanism of Bi-functional nickel–iron phosphides catalysts for overall water splitting, Advanced Functional Materials, 2023, DOI: 10.1002/adfm.202302621.
https://doi.org/10.1002/adfm.202302621.

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/06/1c4bc6f4bc/

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