兼具异质结构和锰掺杂的Ni2P纳米片阵列用于高效电催化水分解

背景介绍

氢能是一种极具发展潜力的新一代可再生能源。电解水制氢是目前常用的高效制氢工艺，而传统贵金属催化剂的高昂价格不利于其广泛应用于大规模制氢体系。因此，开发制备廉价，高性能，稳定性优异的新型电解水催化剂，进而取代传统的贵金属电解水催化剂，是目前电解水制氢领域亟待解决的关键问题。近年来，过渡金属基电解水催化剂（如Ni₂P）已被证实具有优异的电解水催化活性，而高活性镍基催化剂的合成仍面临巨大挑战。

文章亮点

近日，广东工业大学施志聪教授团队通过简单的水热和高温煅烧工艺，结合异种元素掺杂，成功制备了具有异质结和三维纳米结构特性的Mn掺杂 Ni_xS_y/Ni₂P和Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P。锰掺杂能够调控催化剂内部电子结构，异质结构使更多的活性位点暴露，而三维纳米结构增大催化剂表面活性面积，这些优势将进一步提升催化剂的活性。

作者首先通过水热方法在泡沫镍基底上制备Ni-Mn前驱体，然后通过高温磷化及硫化处理合成Mn掺杂Ni_xS_y/Ni₂P和Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P。X射线衍射图说明Mn掺杂 Ni_xS_y/Ni₂P和Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P的成功制备，扫描电镜图展现了催化剂的三维纳米片结构，透射电镜结果表明Ni_xS_y/Ni₂P和Ni₂O₃/Ni₂P异质结构的存在。

图1  催化剂的合成工艺及表征

电化学测试表明，Mn掺杂 Ni_xS_y/Ni₂P和Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P分别表现出优异的析氧反应和析氢反应催化活性。Mn掺杂 Ni_xS_y/Ni₂P在290 mV过电位下达到100 mA cm^-2电流密度并在50 mA cm^-2电流密度下稳定运行160 h；Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P在104和219 mV 过电位下分别达到-10和-100 mA cm^-2电流密度，且可在-50 mA cm^-2电流密度下稳定运行超过120 h；Mn掺杂 Ni_xS_y/Ni₂P和Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P组成的电解槽在1.65 V达到10 mA cm ^-2，该电解槽在50 mA cm^-2电流密度下可稳定运行120 h。

图2 析氧反应催化性能图

图3 析氢反应催化性能图

图4 全水分解催化性能图

综上所述，该课题组通过简便的水热方法和高温煅烧处理合成三维纳米片状Mn掺杂 Ni_xS_y/Ni₂P和Mn掺杂 Ni₂O₃/Ni₂P。锰掺杂能够进一步调控催化剂内部的电子结构，而异质结构能够暴露更多的活性位点，进而提升催化剂的电解水催化活性。同时，该工作为制备低成本、高性能的电解水催化剂提供了一条新思路，并为电解水制氢设备的构建提供了催化剂支持。

该工作以“Simultaneous heterostructure engineering and Mn Doping modulation of Ni₂P nanosheet arrays for enhanced electrocatalytic water splitting”为题目发表在Science China Materials上，广东工业大学的施志聪教授和王攀博士为该文的通讯作者。该工作得到了广东省科技部和珠海市科技部的经费支持。

作者简介

施志聪教授，厦门大学电化学专业博士，加拿大阿尔伯塔大学博士后，现任广东工业大学 “百人计划”特聘教授，博士生导师，广东工业大学新能源材料与器件系创系主任，新型电池研究所所长。担任中国硅酸盐学会固态离子学分会理事，中国化学与物理电源技术协会专家委员会委员，中国科技部和广东省科技厅“新能源汽车”重大专项评审专家。主要开展新型电池材料的应用基础研究和产业技术开发，承担国家自然科学基金项目、科技部国家重点研发计划“新能源汽车”专项重点项目、广东省科技厅产学研合作“新能源汽车”重点项目和企业委托项目近20项。发表学术论文100多篇，获得授权中国发明专利19项和实用新型专利9项，培养博士后、博士生和硕士生30余人。

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