付宏刚教授、闫海静副教授，Angew：钒掺杂诱导CoP2晶格膨胀用于高效酸性分解水- 大数跨境

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付宏刚教授、闫海静副教授，Angew：钒掺杂诱导CoP2晶格膨胀用于高效酸性分解水

科学材料站

2022-01-12

导读：该文章设计并构筑了在碳布上紧密生长的钒掺杂CoP2纳米线阵列（V-CoP2/CC），并将其作为高效稳定的酸性水分解电催化剂。

文章信息

钒掺杂诱导CoP₂晶格膨胀用于高效酸性分解水

第一作者：王雨

通讯作者：付宏刚*，闫海静*

单位：黑龙江大学

研究背景

质子交换膜水电解槽（PEMWE）是一种非常有前景的利用可再生能源制氢的技术手段之一。但其最大的挑战在于研发低价在酸性介质中稳定的催化剂。为此，科研人员开发了大量的过渡金属基材料(如磷化物、硫化物、氮化物、碳化物等)来加速HER和OER反应。

尽管已经取得了一些可喜的进展，但与Pt和Ru基催化剂材料的性能相比仍有很大差距。特别是在酸性OER过程中，大多数材料在高氧化电位下不稳定。因此，在酸性介质中探索价格低廉、高效稳定的HER/OER电催化剂对于PEMWE技术发展至关重要，也极具挑战性。本文为利用晶格工程设计高效酸性水分解电催化剂提供了新途径。

文章简介

基于此，黑龙江大学付宏刚教授和闫海静副教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Vanadium-Incorporated CoP₂ with Lattice Expansion for Highly Efficient Acidic Overall Water Splitting”的观点文章。

该文章设计并构筑了在碳布上紧密生长的钒掺杂CoP₂纳米线阵列（V-CoP₂/CC），并将其作为高效稳定的酸性水分解电催化剂。

图1. V-CoP₂/CC催化剂的设计方案及SEM, BET和TEM表征。

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本文要点

要点一：V-CoP₂/CC双功能催化剂的设计合成

通过水热合成前驱体，经后续控制磷化处理，获得了在碳布上紧密生长的V-CoP₂多孔纳米线阵列(V-CoP₂/CC)。BET、TEM分析证实了其多孔结构以及V掺杂之后CoP₂发生晶格膨胀。

要点二：V-CoP₂/CC催化机理解析

结构表征和理论分析表明，由于V掺杂诱导CoP2晶格膨胀，减少了原子波函数重叠，导致d带中心上移，从而有利于氢物种在P位点上吸附，促进了HER反应。V-CoP₂/CC表现出出色的HER活性，在0.5M H₂SO₄中，获得10 mA cm^-2的过电势仅为50 mV，Tafel斜率为32 mV dec^-1。

此外，V掺杂促进了CoP₂的表面重构，在其表面原位生成一层较厚的含氧空位的Co₃O₄层，从而提高了CoP₂的耐酸腐蚀能力，使其兼具内层V-CoP₂的良好的导电性和外层Co₃O₄的稳定性，加速了OER反应动力学，优化了水和含氧物种的吸附能，提高了OER的活性和稳定性。获得10 mA cm^-2的过电势为91 mV，Tafel斜率为40 mV dec^-1，并且活性能在20 h内未出现明显衰减，表现出优异的稳定性。

要点三：V-CoP₂/CC在酸性介质中的水分解性能

以V-CoP₂/CC为阴、阳极组装的电解槽在10mA cm^-2时需要电压仅为1.47 V，优于Pt-C/CC||RuO₂/CC商业电解槽的全解水活性，同时具有优异的稳定性，并且可以利用太阳能电池驱动高效运转，在与可再生能源耦合方面展现出具有巨大的潜力。这项工作为利用晶格工程设计高效酸性水分解电催化剂提供了新途径。

要点四：前瞻

目前，PEM电解槽中的阳极OER电催化剂仅限于贵金属铱和钌氧化物，开发高效、稳定、无贵金属的酸性OER催化剂是PEM电解槽大规模应用的重要方向。尽管现在已经取得了一些进展，但目前非贵金属基催化剂在酸性介质中的OER催化剂性能仍远未达到实际要求。因此，我们亟需开发低价高效的非贵金属及催化剂或降低催化剂中贵金属用量来克服这一难题。

其次，我们还需要解决在酸性OER过程中酸性腐蚀和外加高压导致的稳定性差的问题。如果以上问题能够得以解决，水电解制氢的成本定能大幅度降低，加速其商业化应用。随着可再生能源的成本逐渐下降，酸性电解水制氢由于制氢效率高、反应速率快、设备简单和使用便捷等优点将逐渐成为未来工业化制氢的重要途径。

文章链接

Vanadium-Incorporated CoP₂ with Lattice Expansion for Highly Efficient Acidic Overall Water Splitting

https://doi.org/10.1002/anie.202116233

通讯作者简介

付宏刚教授

教育部长江学者特聘教授，黑龙江大学校长，博士生导师，黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室主任。付宏刚教授于1980年和1999年先后在吉林大学和哈尔滨工业大学获得学士、硕士及博士学位。入选首批“国家万人计划”百千万工程领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选。教育部科技委员会化学化工学部委员，英国皇家化学会会士，连续四年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光催化和电催化领域的材料设计合成、结构调控，在材料尺寸，晶相，缺陷的选择性控制合成及其在光催化、电催化制氢，有机物合成以及ORR，OER等催化反应过程中的活性和稳定性，反应机制等方面开展研究。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表研究论文300余篇，被引用24000余次，H因子82，有50余篇论文进入ESI Top 1%高被引用论文。获省科学技术奖一等奖3项，获授权发明专利30余项 (含美国、日本、韩国发明专利各1项)。

闫海静副教授

黑龙江大学副教授，硕士生导师。2007年先后就读于佳木斯大学化学系、黑龙江大学无机化学系，并获得学士、博士学位。2017年7月进入黑龙江大学化学化工与材料学院工作，加入功能无机材料化学教育部重点实验室科研团队。主要从事小尺寸过渡金属碳（氮、磷）化物的结构调控及电催化应用研究。近五年来，在国际材料和能源领域一流刊物Angew. Chem. In. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、J Mater. Chem. A，Chem. Commum 和Nano Res.等等发表研究论文40余篇。6篇论文入选ESI前1%高被引论文，他引2500余次。主持和参与包括科技部重点研发计划、自然科学基金重点项目、面上项目、青年基金项目等多项国家级项目及黑龙江省自然科学基金青年基金项目、厅级项目10余项。获授权国家发明专利3项。出版专著1部。

第一作者简介

王雨硕士研究生

1996年5月生人，2015年至今先后就读于黑龙江大学制药工程专业和黑龙江大学无机化学专业，并获得学士学位。

课题组网站

http://www.fuhonggang.cn/HonggangFu.html