三维多孔CoPt3/a-FCWO-NS异质结构的高效电催化整体水分解:形貌调控和界面工程用于形成结晶-非晶纳米片

第一作者：汪振龙，李思蓉

通讯作者：诸海滨*，肖雪春*

单位：东南大学，云南大学

氢气能源作为一种可持续、无碳气体排放、高能量输出的二次能源，被视为替代传统化石燃料的可行性方案。包括化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢、可再生能源制氢的工业制氢工艺已经成熟。但是除电解水制氢外，其它三种工业制氢方式由于产氢纯度不高或产生CO₂等原因并不能实现真正高效无污染生产。电催化水分解制氢装置作为一种可再生的能源转换装置，可以有效的解决化石能源枯竭和化石能源燃烧所带来的环境污染问题。在电解水过程中遇到动力学缓慢问题是目前研究中所遇到的主要坎坷，为此，在电极表面添加高效催化剂来加速中间体和电极表面的吸附来加速反应过程显得格外重要。

近日，来自云南大学肖雪春团队和东南大学诸海滨团队合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Efficient electrocatalytic overall water splitting of porous 3D CoPt₃/a-FCWO-NS heterostructures: Morphology modulation and interfacial engineering for the formation of crystalline-amorphous nanosheets”的观点文章。该工作报告了一项超声辅助NaBH4还原的新型合成策略用于在非晶FeCoW氧化物表面富集结晶CoPt₃合金,并制备出多孔超薄纳米片，这种具有结晶非晶异质结构的超薄纳米片用于实现卓越的HER和OER催化。结晶CoPt₃ 合金表面装饰的非晶FeCoW氧化物多孔超薄纳米片（CoPt₃/FCWO-NS）极大地促进了碱性电解质中的HER过程，并具有出色的OER活性。在整体水分解测试中10 mA cm-2的电压仅为1.51 V，仅需一颗商业电池就可以驱动。该结果优于商业贵金属催化剂和众多已经报道的催化剂，并且其在长期耐久性试验中也表现出良好的稳定性。研究结果表明，CoPt₃对基底FeCoW氧化物存在部分的电荷转移，优异的导电性使得CoPt₃/FCWO-NS对缓和OER过程中的缓慢动力学至关重要。此外，基底FeCoW氧化物优化了CoPt₃的d带中心位置，使得CoPt₃/FCWO对氢吸附质具有合适的吸附能，这使得碱性条件下实现高效无障碍HER成为可能。

采用超声辅助NaBH4还原的新型合成策略用于在非晶FeCoW氧化物表面富集结晶CoPt₃合金,并制备出多孔超薄纳米片，这种具有结晶非晶异质结构的超薄纳米片用于实现卓越的HER和OER催化。结晶CoPt₃合金表面装饰的非晶FeCoW氧化物多孔超薄纳米片（CoPt₃/FCWO-NS）。

在加入微量的H2PtCl6之后，硼化会促进具有结晶的CoPt₃合金形成，而形成结晶CoPt₃和非晶a-FCWO共存的结果，这种结晶-非晶异质界面可以有效的加速界面之间的电子转移。NaBH4可以有效地改善前驱体的形貌，这种三维纳米片结构可以有效地增加催化材料的活性位点的数量，而多孔的形貌有利于在电催化水分解过程中氧气和氢气的释放。

电荷差分密度显示，在a-FCWO中存在Co向Fe的部分电荷的转移，Pt/a-FCWO中存在部分Pt向a-FCWO的电荷转移。CoPt₃/a-FCWO中存在部分CoPt₃向a-FCWO的电荷转移，且根据Bader电荷量化结果表明转移电子增多，这验证了XPS的结果。异质界面之间的电子转移可以增加催化剂的固有活性，这将有利于在电催化水分解过程中对中间体的吸附。所有费米能级附近的电子均由Co的自旋下降电子提供，因此可以判定Co是主要的催化活性中心。此外，异质结构的CoPt₃/a-FCWO中的Co 3d具有最适中的d带中心位置。过高和过低的d带中心位置均不利于OER过程。Pt优化了Co的d带位置，而使得具有异质结构的CoPt₃/a-FCWO具有最合适的对H2O的吸附能。这将更容易与水发生吸附更有利于H2O分子的断裂产生更多的H*而产生更多的H2。

CoPt₃/a-FCWO-NS/NF double在10 mA/cm²时的电压仅为1.51 V，优于由商业贵金属催化剂组装的Pt/C/NF//RuO₂/NF（1.52 V）以及NF(1.84 V)。该电压仅需一颗商业电池（1.5 V）就可以驱动水分解过程。双电极测试系统显示在室温下的1M KOH溶液中，在1.57 V的电位下进行了100h的I-T测试后电流密度依旧保持初始的93.6%，表现出优异的稳定性。

Efficient electrocatalytic overall water splitting of porous 3D CoPt₃/a-FCWO-NS heterostructures: Morphology modulation and interfacial engineering for the formation of crystalline-amorphous nanosheets

肖雪春 简介：2018年博士毕业于云南大学凝聚态物理专业，现为高级实验师，硕士生导师，云南大学材料与能源学院研究生秘书。长期从事于纳米功能多孔材料的制备及其热催化和电催化性能研究。以通讯作者身份在Applied Catalysis B: Environmental, Applied Physics Reviews, Journal of Materials Chemistry A, Carbon, ACS Applied Materials & Interfaces, Sensors and Actuators B: Chemical等学术刊物上发表多篇研究论文，被引用3300 余次，H因子34。

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