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余桂华教授最新进展:阴离子替代与孔结构设计双管齐下实现高效产氢

催化开天地  · 公众号  ·  · 2018-05-03 11:22

正文

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图1.模型材料构建示意图(NCO,NCS和NCP多孔纳米片)

【 催化剂构建 】

MTM的磷化物/硒化物2D多孔纳米片的合成经由多孔氧化物前体的一步相变过程(如图1所示意)。NCO(NiCo 2 O 4 )多孔纳米片首先通过氧化石墨烯(GO)纳米片模板制备,随后根据已有报道的方法进行有控制的煅烧。GO片作为用于均匀锚定金属离子的柔性2D基底(粉红色和绿色球代表Co 2+ 和Ni + )。在空气中热处理后,合成了相互连接的纳米颗粒。

就层状P化物的制备,与层状二硫属化合物不同,由于层间相对较强的键合,金属磷化物纳米片的制备仍然是一个巨大的挑战。本研究首次报道了通过PH 3 等离子体化学气相沉积方法,将具有孔隙的Ni/Co混合氧化物前体转化为互连多孔结构的NiCoP纳米片。电镜图显示,NCS(NiCo 2 Se 4 )和NCP(图1的插图ii,iii)中的多孔纳米结构可以在相变后维持。纳米片的横向尺寸在2至3 μm之间,厚度约为20nm,由相互连接的纳米颗粒(约15 nm)组成,没有明显的聚集。值得注意的是,该合成路线可以应用于其他金属硒化物(如Co 3 Se 4 ,NiSe等)和磷化物(包括CoP,Ni 2 P),并且合成后仍能保留多孔氧化物前体中的多孔纳米结构,形成相互连接的纳米颗粒。

图2.催化剂基本结构组成表征

图分析:

在XRD与HR-TEM图以及SAED模式中也可以清楚地观察到相邻NCP纳米颗粒之间的颗粒间连接状态。相邻纳米颗粒之间的这些化学互连结构可以促进电子转移穿过整个纳米片结构并增强电催化期间的机械稳定性。NCP多孔纳米片的EDX(图2c)证实了Ni,Co和P在NCP中的均匀分布以及双金属磷化物化合物的完全形成。

进一步进行XPS分析(图2d,e,f)以确认NCA多孔纳米片的组成。在多孔NCP中,853.2 eV处的结合能被分配给Ni-P键,接近于金属Ni(852.6 eV),这表明存在部分带电的Ni物质(Ni δ+ ,δ接近于0)。在857.0 eV处的峰值可归因于Ni-POx,类似地,Co 2 p 3/2谱中778.6 eV处的结合能与Co-P键相关,这与Co(778.2 eV)也接近。对于P2p区域,129.1 eV处的峰对应于金属磷化物的形成,略低于元素P(130.0 eV),这表明P原子部分带负电荷(P δ- )。在这种情况下,金属阳离子可以充当水-(氢氧化物)-受体中心,并且P原子在碱性介质中在HER过程中充当质子受体中心。此外,根据先前的研究,可能由于空气暴露后的部分氧化作用,132.9 eV的峰归应该属于磷酸盐物种(PO 4 3- 等)。类似地,Ni-Se和Co-Se键可能存在于NCS,但强度相对低于NCP。

【 HER性能 】

图3.催化剂HER性能以及DFT模拟计算结果

图分析:

磷化物样品显示出显著增强的HER特性,具有低起始过电位(在1mA cm -2 几乎为零)并且58 mV达到10 mA cm -2 电流密度(图3a)。相比之下,硒化物表现出较差的电催化活性,过电位为150 mV,氧化物显示出最差的HER性能,过电位超过260 mV。NCP多孔纳米片的塔菲尔斜率为57 mV / dec -1 ,明显小于NCS(122 mV / dec -1 )和NCO多孔纳米片(127 mV / dec -1 )的斜率。归一化的HER特性和周转频率(TOF)进一步研究NCA多孔纳米片的固有活性。由于电化学活性表面积(ECSA)标准化的电流密度反映了催化剂的固有催化性能,不同于通过几何表面积归一化得到的催化性能。在这一系列Ni / Co基电催化剂中,磷化物样品表现出最高的归一化催化性能,并且在200 mV过点位下TOFs的最大值为0.732 s -1 ,这比相应的硒化物和氧化物样品的大得多。这些结果清楚地表明,基于Ni/Co的电催化剂上的析氢动力学十分强烈的依赖于NCA中的阴离子物质,不同的阴离子物质表现出差异明显的催化性能,基于这样的实验结果就更加有必要探究阴离子在电催化过程中的催化行为和实际催化影响的根源。







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