汪国秀教授/刘浩教授/张晋强博士Nano Lett.: 硼辅助构建具有原子级别异质金属位点的超薄掺镍磷化钴纳米片用于高效水分解- 大数跨境

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汪国秀教授/刘浩教授/张晋强博士Nano Lett.: 硼辅助构建具有原子级别异质金属位点的超薄掺镍磷化钴纳米片用于高效水分解

科学材料站

2021-01-17

导读：该论文通过利用硼辅助策略合成了具有不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的掺镍磷化钴（Ni-CoP）2D超薄纳米片研究了催化剂原子结构和催化活性之间的关系。

文章信息

硼辅助构建具有原子级别异质金属位点的超薄掺镍磷化钴纳米片用于高效水分解

第一作者：赵玉飞，张晋强

通讯作者：汪国秀*，刘浩*，张晋强*

单位：悉尼科技大学，新南威尔士大学

研究背景

电催化水分解产生氢气被认为是解决当今能源危机的最有效方法之一。尽管贵金属催化剂铂（Pt），钌（Ru）被认为是最有效的析氢反应（HER）催化剂。但是贵金属资源稀缺且价格昂贵。

此外，工业规模的OER和HER在碱性条件下动力学缓慢，进一步限制了其在大规模应用中的实际性能。因此开发新型高效且价格低廉的催化剂非常重要。

文章简介

近日，来自悉尼科技大学的汪国秀教授，刘浩教授和张晋强博士在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Constructing Atomic Heterometallic Sites in Ultrathin Nickel-Incorporated Cobalt Phosphide Nanosheets via a Boron-Assisted Strategy for Highly Efficient Water Splitting”的研究文章。

该论文通过利用硼辅助策略合成了具有不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的掺镍磷化钴（Ni-CoP）2D超薄纳米片研究了催化剂原子结构和催化活性之间的关系。

图1. 具有不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的镍掺杂磷化钴（Ni-CoP）2D超薄纳米片的制备和催化过程。

本文要点

要点一：硼辅助合成掺镍磷化钴（Ni-CoP）2D超薄纳米片的机理

预形成的硼包覆金属颗粒结构暴露在空气中之后，硼逐步释放在水溶液中，失去硼保护的金属颗粒接触到水和氧气自发形成金属氢氧化物。

其次硼与水/氧气反应过程中形成的热能和气体对于2D超薄纳米片的形成起到了一定的促进作用。进一步磷化处理得到了具有很多小孔洞的超薄Ni-CoP纳米片，暴露了大量的催化活性位点。

要点二：Ni-CoP由不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点组成

具有相对较高的电荷密度的原子Ni可以向邻近的Co和P转移电子，不仅可以调控和提高Co和P原子的析氢能力，而且会导致Co-P键变长，稳定性下降，从而导致了Co空位的形成。

要点三：不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的催化机理研究。

在不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点中，Ni的引入和Co空位有效地提高了碱性水分解过程中水的解离能力，水解离生成的活化H转移到临近具有高效析氢活性的Co和P原子上，快速生成H2并析出，表现出了优异的碱性溶液电催化HER活性。同时，OER过程中，预氧化形成的NiCo16−xO6位点中，Ni和O的存在导致Co原子亲氧性下降，显著提高了OER活性。

要点四：电催化水分解性能提升。

实验结果表明，在碱性溶液中，具有不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的Ni-CoP超薄纳米片表现出了优异的电催化析氢和析氧活性，在10 mA cm-2电流密度下HER和OER的过电位分别低至88和290 mV。

图2. Ni-CoP 2D超薄纳米片的制备和形成过程。

图3. Ni-CoP 2D超薄纳米片的形貌表征和结构分析。

图4. 不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的配位环境研究。

图5. Ni-CoP 的电催化水分解性能。

图6. 不饱和原子级别异质金属簇NiCo16-xP6活性位点的电催化析氢析氧的机理和DFT理论计算结果。

文章链接

Constructing Atomic Heterometallic Sites in Ultrathin Nickel-Incorporated Cobalt Phosphide Nanosheets via a Boron-Assisted Strategy for Highly Efficient Water Splitting

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04569

通讯作者介绍

汪国秀教授任职悉尼科技大学清洁能源技术中心主任，特聘杰出教授

汪教授致力于能源材料领域的研发，并在包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制造等多个跨学科领域取得了优异的成果。汪教授主持完成二十多项澳大利亚基金委和工业界的项目。迄今为止，汪教授已发表SCI论文超过550篇, 引用超过42911次，h因子114。2018年全球材料和化学双学科高被引科学家(Web of Science/Clarivate Analytics)。2019和 2020全球材料学科高被引科学家。英国皇家化学会会士 (FRSC) 和国际电化学学会会士(ISE fellow)。研究方向：能源材料领域的研发，包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制备。

刘浩教授

刘浩教授2011年获得澳大利亚伍伦贡大学博士学位，其后分别在昆士兰大学和悉尼科技大学从事博士后研究。长期从事能量存储及转换材料相关基础及应用研究。在Journal of the American Chemical Society, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Nano Letters, Advanced Energy Materials，Nano Energy等期刊发表学术论文超100余篇，总引用超一万次，H-index 45，被遴选为Clarivate Analytics全球高被引学者（2018）。获得澳大利亚及中国多个组织机构奖励称号。担任Frontiers in Nanotechnology副主编。

张晋强博士

张晋强博士2018年获得澳大利亚悉尼科技大学博士学位。目前在悉尼科技大学清洁能源技术研究中心从事博士后研究工作。主要研究方向为清洁能源材料研发及机理研究，包括锂有机氧化还原介质，单原子催化剂，有机高分子聚合物材料等在锂空气电池，锂硫电池，电催化水分解等领域的应用。先后以第一作者和通讯作者身份在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Nano Letters, Advanced Science, Nano Energy等学术期刊发表多篇论文。总引用超过3200次，H-index 31.

第一作者介绍

赵玉飞博士

赵玉飞博士于2017年和2018年分别获得北京理工大学和澳大利亚悉尼科技大学双博士学位。目前在澳大利亚新南威尔士大学从事博士后研究工作。主要研究方向为无机高效催化剂的研发和应用，包括电催化水分解，电催化氧还原，电催化二氧化碳还原以及光催化等领域的应用。先后以第一作者身份在Nature Catalysis, Journal of the American Chemical Society, Nano Letters, Nano Energy，Journal of Materials Chemistry A等学术期刊发表多篇论文。