ACS Nano：磷烯-二维硼化物异质结构助力高效稳定的OER

【研究背景】

磷烯具有与石墨烯相似的层状结构，自问世以来，因其具有极高的载流子迁移率而备受关注，是一种极具潜力的OER电催化剂材料。目前磷烯材料用于催化OER的研究仍处于初始阶段，活性和稳定性都有待提高，主要原因是（1）磷烯的孤对电子造成的氧中间体吸附过强以及（2）其在氧气下会发生降解而破坏其结构。克服以上难题是实现磷烯基催化剂高效催化OER的必由之路。

【工作介绍】

近日，中国计量大学材化学院陈达教授、秦来顺教授和中科院福建物构所温珍海研究员合作，构建了一种2D/2D构型的晶体/非晶EBP/CoFeB异质结构，实现了长期稳定的低过电位OER过程。通过一系列实验表征和理论模拟证实（1）无定形的CoFeB材料可以产生“fast channel”以实现高OER活性，但是其出现概率较低，而EBP材料可以提供更多的和OH*亲和能更强的活性位点，弥补“fast channel”的低概率；（2）晶态的EBP和非晶态的CoFeB分别展现各自高导电性和丰富活性位的优势；（3）EBP表面包覆的二维结构的CoFeB阻隔其和氧气的接触，使得复合材料具有电化学稳定性。该文章发表在国际知名期刊ACS Nano上。中国计量大学材化学院教师陈华予博士为本文第一作者。

【内容表述】

通过液相剥离法将块状黑磷剥离得到少数层的EBP，利用EBP表面带负电的特性，通过静电作用在EBP表面充分吸附Co²⁺，Fe²⁺离子，最终通过化学还原法在EBP表面上生长无定形的CoFeB纳米片，得到2D/2D EBP/CoFeB异质结构催化剂。OER性能评价显示，EBP/CoFeB电催化剂具有高活性和稳定性，在电流密度为10 mA cm⁻²时，过电位仅为227 mV，塔菲尔斜率为36.7 mV dec⁻¹，在60小时的测试中展现优异的稳定性。基于EBP氧亲和力过强以及CoFeB纳米片氧亲和力较弱的特点，所构筑的2D/2D异质结构能够平衡复合材料的含氧中间体吸附至最优，实现OER的高活性。此外，晶态EBP有助于提高导电性，而非晶态的CoFeB不仅带来高活性的反应位点，还保护EBP，使其免于氧气下的降解。

图1.（a）异质结构制备过程图解。（b）EBP的TEM图。EBP/CoFeB的（c）TEM和（d）HRTEM图和(e)元素分布图。（f）拉曼光谱图。

图2. EBP/CoFeB的电化学性能。（a）LSV曲线。（b）过电位。（c）塔菲尔斜率。（d）电化学阻抗谱。（e）稳定性。（f）多电压响应过程。

图3.（a）OER和MOR过程示意图。(b−d)甲醇氧化实验。LSV曲线分别在1 M KOH (黑色)和1 M KOH + CH₃OH(紫色)电解液中进行，绿色面积代表MOR引起的电流密度。（e）O 1s XPS图谱。

图4.（a）合成过程模拟。（b）CoFeB的元素分布模拟。（c）多面体模板匹配结果。（d）任意选取的40个表面位点。（e）OOH*，O*和OH*的吸附能分布（G_OOH*，G_O*，G_OH*）。（f）OER反应中间体吸附自由能（G_OOH*，G_O*和G_OH*）和出现概率。

Huayu Chen, Junxiang Chen, Pei Ning, Xin Chen, Junhui Liang, Xin Yao, Da Chen, Laishun Qin, Yuexiang Huang, and Zhenhai Wen, 2D Heterostructure of Amorphous CoFeB Coating Black Phosphorus Nanosheets with Optimal Oxygen Intermediate Absorption for Improved Electrocatalytic Water Oxidation, ACS Nano, 2021, https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04715