近日, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所微納技術與器件研究室李越課題組, 在電催化析氫電極材料的構築及應用方面研究取得進展, 相關研究結果發表在Nanoscale上, 文章被遴選為當期的Inside back cover.
氫能作為無汙染的生態清潔能源, 備受關注. 電解水制氫是實現工業化, 廉價製備氫的重要手段. 實現工業化電解水制氫的前提, 是獲得具有高催化活性的電催化析氫電極材料. 眾所周知, 以鉑為代表的貴金屬基催化劑在電催化條件下具有最高的電解水制氫效率; 然而, 其高昂的價格和稀缺的儲量阻礙了其大規模工業化進程. 因此, 開發具有高催化性能的非貴金屬催化劑來替代貴金屬催化劑, 對實現大規模電解水制氫具有重要的現實意義和廣泛的應用前景.
在眾多非貴金屬析氫催化劑中, 過渡金屬磷化物因具有低廉的成本和較高的電催化析氫活性而備受關注. 尤其, 用鉬(Mo), 鈷(Co), 鎳(Ni)等元素摻雜的磷化物構築的三維納米陣列催化劑, 由於摻雜元素對本身磷化物電子結構的調控, 使固體催化劑表面的氫原子吸附性能下降, 從而使其析氫性能可與鉑相媲美. 然而, 在實際應用中非貴金屬催化劑的催化活性受其所處pH環境影響極大, 同時非貴金屬催化劑的穩定性也需進一步提高.
鑒於此, 李越課題組利用NiMoO4納米線為前驅體, 經過後續的退火磷化過程, 實現了Mo摻雜Ni2P三維納米陣列的製備. 該Mo-Ni2P納米線陣列電催化劑在不同的pH環境下 (酸性, 中性, 堿性) 均具有優異的電催化活性, 在pH為0, 7和14的電解質溶液中達到10mA/cm2的電流密度需要的過電位分別為64, 84和78 mV (圖2). 這表明該催化劑體系在能在寬pH環境範圍內具有高電催化活性; 該催化劑體系在整個pH範圍內具有較高的電化學穩定性. 該Mo-Ni2P納米線陣列電催化劑的製備, 將為新型, 高效, 穩定, 廉價的非貴金屬析氫電催化劑的設計和應用提供新途徑.
研究工作得到了中科院交叉團隊項目和國家自然科學基金的資助.
圖1.Mo-Ni2P三維納米線陣列全pH範圍內電解水產氫的內封面示意圖.
圖2.Mo-Ni2P三維納米線陣列在(a)酸性; (b)中性; (c)堿性條件下的線性掃描伏安曲線.
