新疆大学CEJ II构建Co2P/CoP @Co@NCNT界面协同促进全水解

文章背景

过渡金属磷化剂如Ni₂P，CoP，Co₂P和FeP等，在水裂解过程中作为贵金属共催化剂的替代具有广阔的前景。

然而，由于催化活性金属成分不足，目前可用的过渡金属磷化剂的催化活性和稳定性仍然不理想，这使得其无法大规模生产。

可以通过两个因素来解决一是增加暴露的活性位点和增强内在活性。通过界面工程构建异质结是提高活性表面积、产生强耦合效应。

也可以提高导电性和调节电子结构来促进中间体吸附和解吸的平衡，从而增强本征活性。

碳载体在实现上述两种策略中发挥了重要的作用，不仅可以提高电导率，还可以防止团聚，增强活性位点的分散性。

特别是碳纳米管，由于其独特的空心纳米结构、大的表面积、良好的导电性和较强的化学稳定性，被发展成为构建具有丰富界面的异质结载体材料以及调节催化剂的形貌和结构。

然而，碳纳米管的工业应用通常受到其惰性表面和较差的亲水性的限制。

通过掺杂N，P，S和金属等异质原子或锚定金属原子对这些碳基材料进行修饰，可以为异质结结构的结合提供更多的锚定位点，还可以提供丰富的活性位点，配位位点和催化剂与电解质之间有效的质量扩散。

文章详情

新疆大学贾殿赠等人通过一步热分解合成了钴基氮掺杂碳纳米管(Co@NCNT)，并将其作为导电模板和金属锚定载体，进一步构建了Co₂P/CoP@Co@NCNT富界面异质结，通过受控磷化裁剪表面电子结构。

此外，中空纳米结构可为电子传递提供导电通道，有效防止其腐蚀。结合结构优势及其协同效应，优化后的Co₂P/CoP@Co@NCNT异质结在1.0 M KOH中表现出高效的双功能性能。

因此，本文提出的在碳载体表面构建富界面异质结构的策略，将为推动新型结构催化剂在水裂解应用中的发展带来新的启示。

结果与讨论

图2是催化剂的形貌表征，在可以清晰的观察到在碳纳米管上负载的Co₂P以及CoP。Co₂P的晶格间距是0.24 nm，对应（211）晶面，CoP晶格间距为0.20 nm，对应的是（111）晶面。

EDS Mapping 可以观察到各个元素的分布情况。与其他样品相比，Co₂P/CoP@Co@NCNT具有丰富的界面，不仅可以用于调节局域电子结构以调节电子和质子转移，还可以降低能量障，平衡中间体的吸附和解吸。从而增强了电催化反应的动力学。

图3是Co₂P/CoP@Co@NCNT的HER性能表征，在1 M KOH碱性环境下，10 mA cm^-2电流密度时过电位仅有118mV。Tafel斜率为46 mV dec^-1。并且具有良好的HER稳定性。

图4是Co₂P/CoP@Co@NCNT的OER催化活性。在电流密度10 mA cm^-2表现出256 mV的过电位催化活性，并且具有良好的OER循环稳定性。 

通过对Co(OH)₂@Co@NCNT前驱体的可控磷化，成功制备了界面为Co@NCNT的非均相结构Co₂P/CoP纳米球。

合成的Co₂P/CoP@Co@NCNT具有最佳的电子结构、丰富的暴露活性位点和优良的导电性，从而协同减少能量障碍，提高内在活性。

优化后的Co₂P/CoP@Co@NCNT异质结组装在双电极电解槽上，在电池电压仅为1.6 V的情况下，可以提供10 mA cm²的电流密度。

因此，在碳纳米管表面构建富界面异质结构的提议，将为促进新型结构催化剂的水裂解应用的发展带来新的启示。

 Lu Z, Cao Y, Xie J, et al. Construction of Co₂P/CoP@ Co@ NCNT rich-interface to synergistically promote overall water splitting. Chemical Engineering Journal, 2022, 430: 132877.

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