南开大学焦丽芳课题组：“枝繁叶茂助催化，三维阵列寿命长”

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氢能因其燃烧热值高，环境友好而被认为是未来理想能源。迄今为止，大规模制氢主要依赖于消耗化石燃料，严重污染环境。电解水制氢作为一种古老的制氢技术而广受青睐，但目前大规模电解水制氢受限于需使用高昂的贵金属催化剂来降低反应能垒，使得该项技术一直没有得到大范围普及。为了缓解日益严峻的能源与环境问题，开发性能优异，价格低廉的非贵金属电解水催化剂成为研究热点。南开大学焦丽芳课题组在非贵金属电催化剂的结构设计和性能优化方面取得了一定的研究进展（Nano Letters 2017, 17, 7989; Energy Storage Materials 2018, 12, 44; Electrochimica Acta 2019, 298, 305）。

钴基磷化物是一种宽pH范围下氢析出催化剂，其尤在酸性电解液中呈现出类铂的催化活性。由于总体效应存在于磷化物的晶面中，金属与磷之间的相互作用使它可以有效吸附质子，并脱附形成的氢分子。但在碱性水电解，由于质子来源于水的解离，而磷化物本身并不能有效促进水解离，因此其在碱性条件下性能往往不理想。为了加快水解离过程，在催化剂中引入一些对含氧官能团有亲附力的化合物，如一些氧析出催化剂，可以有效降低水解离反应能垒。但同时需要注意的是所引入非活性组分可能阻挡部分活性位，致使其析氢性能反而下降；此外，这类具有氧吸附的特性的组分往往导电性非常差，这些问题无疑给催化电极的结构设计带来了新的挑战。

针对以上问题，近日，南开大学焦丽芳教授课题组报道了一种新颖的“枝-叶结构”双功能电催化剂，其由一维晶态磷化钴纳米线（“枝”）与二维无定型镍铁氢氧化物纳米片（“叶”）所组成。相比单组元粉末式电催化剂，该文报道的催化剂具有以下优势：（1）晶态的磷化钴纳米线与非晶态的镍铁氢氧化物间存在协同催化作用，加速了氢析出与氧析出反应动力学。（2）不同于以往报道的”核-壳结构”，分等级“枝-叶结构”使内、外两组分在电解液中充分暴露，不仅提供了更多的催化活性位点，还大大加快了传质过程。（3）具有类金属特征的CoP@NiFe-OH能诱导电子快速转移至活性位。（4）自支撑的电极构型既简化了电极制备流程，又保证其在大电流下的稳定性。集以上优点于一身，“枝-叶结构”的CoP@NiFe-OH电极在碱性条件下分别仅需118 mV和220 mV的过电位即可产生20 mA cm-2的析氢、析氧电流，性能优于单组分的CoP和NiFe-OH电极。与此同时，双功能CoP@NiFe-OH电极在全水电解测试中也只需1.53 V的槽电压即可产生10 mA cm-2电流并具有长达120小时稳定性，是迄今为止性能最佳的双组分全水电解催化剂之一。本工作为多元纳米电催化剂的结构设计和组分互配提供了新的研究思路。

“枝-叶结构”双功能CoP@NiFe-OH电催化剂

（来源：Nano Energy ）

相关结果发表在Nano Energy （Nano Energy 2019, 63, 103821）上，该工作受到国家自然科学基金的支持。