深圳大学骆静利、宋中心AS：高性能氨基磷酸钴纳米片用于电催化碱性盐水氧化

近日，深圳大学骆静利教授、宋中心研究员等报道了一种氨基磷酸钴纳米片用于析氧反应（OER）催化剂。通过优化纳米片厚度，提高催化剂材料电化学活性面积，实现了氨基磷酸钴纳米片催化剂在碱性水和盐水电解液中优异的电化学性能和稳定性。该高性能钴基纳米片催化剂的开发对实现低成本电解水制氢尤其是电解海水的发展有重要意义。

图1.高性能氨基磷酸钴纳米片用于电催化碱性盐水氧化

本研究在室温水相体系中采用简单低能耗的化学沉积方法合成了不同厚度的氨基磷酸钴纳米片材料。通过测试其电化学OER性能发现，在碱性1.0 M KOH电解液中，该类钴基纳米片催化剂表现出优于贵金属IrO₂的析氧性能。研究中通过优化纳米片的厚度发现，拥有30 nm厚度的Gly-NCP 纳米片具有低的起始电位和高的电流密度表现出最优的OER活性。在产生10 mA cm^-2的电流密度下，Gly-NCP 纳米片仅需要265 mV的过电位，低于同类催化剂材料和大部分已报道的非贵金属催化剂。研究表明较高的电化学活性面积使得Gly-NCP纳米片表现出优秀的OER 性能。较低的塔菲尔斜率和阻抗进一步验证了厚度较薄的Gly-NCP纳米片比同类高厚度材料在电催化OER上的优势。

图2. 氨基磷酸钴纳米片在1.0 M KOH电解液中的电化学OER性能。

地球上拥有丰富的海水资源，如果我们的催化剂材料不仅能够实现纯水中电解还能实现海水或盐水中的稳定电解，那么在不久的将来使用电解海水代替稀缺的淡水资源将有利于实现电解水制氢的规模化应用。本研究在1.0 M KOH电解液中加入0.5 M NaCl来模拟海水环境，通过测试氨基磷酸钴纳米片在碱性盐水中的电化学性能和塔菲尔斜率转化，发现Gly-NCP表现出优于同类催化材料的OER性能。此外，在10 mA cm^-2电流下，Gly-NCP在盐水中仅需要252 mV的过电位优于碱性纯水中的性能。除了电化学活性，盐水中长时间稳定性也是评估催化剂材料的一个重要指标。研究中通过测试20小时内产生OER恒电流时催化剂材料的电位，发现产生10 mA cm^-2的电流下，Gly-NCP纳米片的电位在20 h后会损耗13 mV，而IrO₂催化剂同等条件下会产生60 mV的损耗。通过测试和对比Gly-NCP纳米片初始和20 h 后的LSV曲线，Gly-NCP纳米片催化剂在性能上表现出了良好的重现性，表明此催化剂材料具有优异的电化学稳定性。

图3. 氨基磷酸钴纳米片在1.0 M KOH+0.5 M NaCl电解液中的OER活性和稳定性。

同步辐射表征技术对Gly-NCP磷酸钴纳米片中Co元素近边和扩展边吸收谱的分析发现。在电化学OER测试之前，Gly-NCP中的Co和标准样LiCoPO₄相近表现出氧化态Co²⁺。在20 h电化学稳定性测试之后再分析Gly-NCP中的Co发现，其化学态发生了明显的变化，表现出类似LiCoO₂ 中Co³⁺的化学形态。结合CV曲线中Co元素的氧化还原峰，研究得出结论在电化学测试过程中Gly-NCP中的Co元素会由+2价活化成+3价，Co³⁺作为OER的有效活性位点催化析氧反应的进行。该高性能钴基纳米片催化剂的开发对实现低成本电解水制氢尤其是电解海水的发展有重要意义。

论文信息：

High-Performance Ammonium Cobalt Phosphate Nanosheet Electrocatalyst for Alkaline Saline Water Oxidation

Zhongxin Song, Kaixi (Cathy) Wang, Qian Sun, Lei Zhang, Junjie Li, Dingjiu Li, Pok-Wai Sze, Yue Liang, Xueliang Sun, Xian-Zhu Fu, Jing-Li Luo*

Advanced Science

点击左下角 “ 阅读原文 ” ，查看该论文原文。

Advanced

Science

期刊简介

《先进科学》（Advanced Science）Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。最新影响因子为15.840，中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。

WILEY

相关阅读

Wiley China

Wiley China

Wiley China

MaterialsViews

Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台

关注我们

推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀

分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息

点击“分享”，给我们一点鼓励吧~