杨帆教授、李永峰教授，ACB：一种高活性的P掺杂Ni-Mo气凝胶全解水催化剂- 大数跨境

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杨帆教授、李永峰教授，ACB：一种高活性的P掺杂Ni-Mo气凝胶全解水催化剂

科学材料站

2021-07-04

导读：该文章中介绍了一种用于电催化全解水的P掺杂Ni-Mo双金属气凝胶（Ni-Mo-P）。

文章信息

一种高活性的P掺杂Ni-Mo气凝胶全解水催化剂

第一作者：张冰博士

通讯作者：杨帆教授*，李永峰教授*

单位：中国石油大学（北京）

研究背景

目前，在碱性水电解中使用的催化剂主要为铁/钴/镍基过渡金属催化剂，这些催化剂的原料来源广泛、制备成本相对较低。但是，过渡金属催化剂用于电解水反应时，必须克服较高的过电位，这一问题限制了其应用效果。

近日，中国石油大学（北京）杨帆教授、李永峰教授课题组设计并制备了一种P掺杂Ni-Mo双金属气凝胶（Ni-Mo-P）作为高性能的全解水电催化剂。对Ni-Mo气凝胶表面进行原位P掺杂使得材料表面电荷得以重新分布，H*与OH-活性位点间的结合能得到优化，且更易发生水解离。

此外，气凝胶结构的高比表面积、高孔隙率为材料提供了更多暴露的活性位点与传质途径，进一步提升了材料的催化效果。该工作为设计高性价比的过渡金属电催化剂提供了新的视角。

文章简介

本文中，中国石油大学（北京）杨帆、李永峰教授课题组，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental 上发表题为“Phosphorus Doped Nickel-Molybdenum Aerogel for Efficient Overall Water Splitting”的文章。

该文章中介绍了一种用于电催化全解水的P掺杂Ni-Mo双金属气凝胶（Ni-Mo-P）。该材料在碱性条件下表现出良好的析氢、析氧及全解水电催化活性和稳定性。这种良好的性能得益于Mo的引入，P的原位掺杂及气凝胶的三维多孔网络状结构。Ni-Mo-P气凝胶制备方法简单，反应条件温和，催化性能优越，在电催化全解水反应中具有很高的应用潜力。

本文要点

要点一：材料合成

以NaBH4作为还原剂/成胶剂诱导Ni、Mo金属纳米粒子自组装形成气凝胶结构，再在400 oC条件下进行原位P掺杂，制得Ni-Mo-P气凝胶。该制备过程可以在维持气凝胶特征形貌的基础上实现对材料的表面调控，提高催化活性。

要点二：形貌表征

Ni-Mo-P气凝胶为金属纳米粒子自组装形成的三维多孔网络状结构。P掺杂后仍能保持气凝胶特征形貌。

要点三：催化性能

Ni-Mo-P气凝胶在1M KOH电解液中表现出了优越的析氢、析氧反应活性。10 mA/cm2电流密度下过电位分别为69 mV、235 mV。Tafel斜率分别为108.4 mV/dec、96.6 mV/dec。

这种良好的析氢、析氧电催化性能使得Ni-Mo-P双电极体系用于全解水时达到10 mA/cm2电流密度只需1.46 V电池电压，优于贵金属双电极（Pt/C∥RuO2 1.61V@10 mA/cm2）和大多数目前报道的双功能过渡金属电催化剂。

Ni-Mo-P气凝胶优越的催化性能主要可以归因于以下三方面：

Mo位点使得催化剂具有亲水性，有利于H2在气-液-固三相界面的解吸；
原位掺杂的P降低Ni-Mo位点周围的电子云密度，产生了大量空d轨道，促进了H*和OH-的吸附效果；
气凝胶结构的高比表面积、高孔隙率为材料提供了更多暴露的活性位点与传质途径，进一步提升了材料的催化效果。此外，Ni-Mo-P材料还具有良好的稳定性，经过40 h稳定性测试后，析氢、析氧和全解水均能维持90%以上的催化活性

要点四：DFT计算分析

Ni-Mo-P材料的能带结构在Femi能级附近占据主导地位，说明该材料具有更好的反应物吸附性能与更高的电荷转移速率。相较于Ni和Ni-Mo材料，Ni-Mo-P材料具有更接近于0的氢吸附吉布斯自由能（-0.12 eV），说明该材料具有更高的析氢反应催化活性和更低的动力学势垒。

文章链接

Zhang B, Yang F*, Liu X, Wu N, Che S, Li Y*, Phosphorus Doped Nickel-Molybdenum Aerogel for Efficient Overall Water Splitting, Applied Catalysis B: Environmental (2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120494

通讯作者介绍

杨帆，博士/博导/教授.

2012年获日本东北大学博士学位。2012年-至今，就职于中国石油大学（北京）化学工程与环境学院，主要研究方向为碳基催化材料的构筑及其在催化、能源和环境等领域的应用研究。迄今，共发表SCI论文100余篇，授权发明专利14项（3项已成功实现成果转化），获中国石油和化学工业联合会，技术发明二等奖1项，出版教材1部。

李永峰教授，博士生导师，中国石油大学（北京）新能源与材料学院院长。

“国家优秀青年基金”获得者。2004年10月获大连理工大学化学工艺专业博士学位，2004-2006 年，日本东北大学COE 研究员；2006-2008年，日本学术振兴会（JSPS）特别研究员；2008-2011年，日本东北大学助理教授；2011-至今，受聘中国石油大学(北京)教授。研究方向为材料化工，主要从事石墨烯等二维材料的制备与应用研究。主持10多项国家和省部级项目，多项科研成果实现了产业化转化及工业化生产。获中国发明专利授权20项，其中5项专利实现产业化转化，在Nature Commun. J. Am. Chem. Soc. Chem. Eng. J等期刊上发表SCI论文180余篇，出版专著2部。社会兼职包括：北京市昌平区政协委员，中国颗粒学会第六，七届理事会理事，中国复合材料学会矿物复合材料专业委员会副主任，第七届石墨及石墨材料产业专业委员会理事等。