黄明华教授，CEJ：Fe2P@NixP异质界面的充分暴露用于实现高电流密度下的尿素辅助电解水制氢- 大数跨境

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黄明华教授，CEJ：Fe2P@NixP异质界面的充分暴露用于实现高电流密度下的尿素辅助电解水制氢

科学材料站

2021-02-16

导读：该工作通过简单可行的电沉积耦合低温磷化策略，在大孔泡沫镍基底上制备了一种树枝状Fe2P@NixP异质结构纳米阵列催化剂，用来催化尿素氧化反应和析氢反应，实现了大电流密度下的尿素辅助水电解析氢。

文章信息

Fe2P@NixP异质界面的充分暴露用于实现高电流密度下的尿素辅助电解水制氢

第一作者：国通

通讯作者：黄明华*

单位：中国海洋大学

研究背景

目前报道的大多数催化剂在大电流密度下（≥ 250 mA cm-2）的催化过电位依然较高，这极大地阻碍了其工业化大规模应用。考虑到阳极尿素氧化反应和阴极析氢反应均是在电极表面进行的多步骤反应过程，通常涉及到反应物和产物在催化剂上的吸附和脱附等，因此电催化剂的活性与其电子结构和传质速率密切相关。

一方面，催化剂的电子结构可以通过构建异质结构进行调节，从而对催化反应过程中的电子转移进行优化；另一方面，分等级阵列结构的构建可以为催化过程中快速的质量传递提供有效保障。然而，发展同时可以实现快速电荷转移和质量传递的分等级结构催化剂，用于实现大电流密度下尿素电解制氢具有较大的挑战性。

文章简介

近日，中国海洋大学材料科学与工程学院的黄明华教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为Enabling the full exposure of Fe2P@NixP heterostructures in tree-branch-like nanoarrays for promoted urea electrolysis at high current densities的研究工作。

该工作通过简单可行的电沉积耦合低温磷化策略，在大孔泡沫镍基底上制备了一种树枝状Fe2P@NixP异质结构纳米阵列催化剂（Fe2P @ NixP / NF），用来催化尿素氧化反应（UOR）和析氢反应（HER），实现了大电流密度下的尿素辅助水电解析氢。

得益于精心构筑的树枝状分等级异质结构，Fe2P和NixP之间具有充分暴露的异质界面，可以同时实现快速电子转移和质量传递，从而增强了尿素辅助水分解的催化活性。当其用作双功能UOR和HER电催化剂时，组装后的Fe2P @ NixP / NF || Fe2P @ NixP / NF电解池在产生高达500 mA cm-2的电流密度下，仅仅需要1.604 V的电解池电压，并表现出优异的稳定性。

该工作加深了对尿素辅助电解水中电子和质量传递重要性的理解，为进一步理性设计高电流密度下制氢催化剂提供了一种新思路，向着工业化应用制氢迈近一步。

图1：Fe2P@NixP/NF催化剂制备流程图

本文要点

要点一：树枝状纳米阵列的精心构筑

通过简易的电沉积耦合低温磷化策略，巧妙构筑了一种具有充分暴露Fe2P@NixP异质结构的树枝状纳米阵列。高分辨电镜结果表明，Fe2P与NixP具有紧密结合的异质界面，可能有利于促进电子转移，这在XPS测试结果中得到了佐证。

除此之外，独特的树枝状分等级异质结构能够同时实现活性位点的最大化利用及物质传输能力的增强，从而使得该催化剂具有快速的电子的传递和质量传递速率，在高电流密度下具有优异的催化性能。

图2：形貌结构表征图

要点二：大电流密度下优异的UOR及HER催化性能

独特的分等级异质结构使得活性位点的数量及利用率得到足够的保证，从而使所构筑的Fe2P@NixP/NF催化剂在高电流密度下具有优异的催化性能和稳定性。

结果表明在1M KOH+0.5 M尿素溶液中，该催化剂仅仅需要1.38 V的电位来驱动500 mA/cm2高电流密度下的UOR，这比无尿素环境下的催化电位低135 mV。对于HER，该催化剂仅需276 mV的过电位即可达到500 mA/cm2高电流密度。

更重要的是，在高电流密度为500 mA/cm2的条件下，该催化剂能够保持较好的UOR及HER催化稳定性。

图3：UOR和HER电化学性能图

要点三：大电流密度下实现高效节能制氢

鉴于Fe2P@NixP/NF催化剂对UOR和HER具有显著的催化性能，我们将该催化剂作为阴极和阳极组建双电极尿素电解槽。在500 mA cm-2高电流密度下，电解池电压仅为1.604 V，此催化性能不但比无尿素情况下双电极体系低210 mV，而且远低于商业PtC || RuO2电解池电压（1.960 V）。

该结果突出了Fe2P@NixP/NF作为尿素辅助电解水催化剂的潜力，并有望实现H2的节能生产。

文章链接

Enabling the full exposure of Fe2P@NixP heterostructures in tree-branch-like nanoarrays for promoted urea electrolysis at high current densities

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128067

通讯作者介绍

黄明华，中国海洋大学教授，博士生导师，德国洪堡学者。

2007年中国科学院长春应化所博士毕业后，相继在德国马普胶体与界面所、汉诺威大学和波鸿大学以洪堡学者和Scientist身份从事科研，13年底入职中国海洋大学。目前致力于将国家重大需求与应用基础研究相结合，聚焦能源短缺问题，重点研究电解（海）水制氢和燃料电池、锌空电池的关键材料与技术，旨在解决清洁氢能开发与利用领域的关键科学和工程问题。在J. Am. Chem. Soc.、J. Mater. Chem. A.、Small和Chem. Eng. J.等国际知名期刊发表50余篇论文，撰写英文专著1章节，授权发明专利4项，主持国家自然科学基金等多项科研项目，任稀有金属（中、英文版）等期刊青年编委。

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