CEJ：磷化过程中零价铁纳米颗粒的发现-可提高磷化铁在中性电解液中析氢反应活性- 大数跨境

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CEJ：磷化过程中零价铁纳米颗粒的发现-可提高磷化铁在中性电解液中析氢反应活性

科学材料站

2020-10-20

导读：该工作发现在制备多孔、多层级磷化铁（FeP）过程中会生成金属铁纳米颗粒，并且均匀的镶嵌到FeP纳米片中。

文章信息

磷化过程中零价铁纳米颗粒的发现-可提高磷化铁在中性电解液中析氢反应活性

第一作者：肖长龙

通讯作者：肖长龙*，赵修松*

单位：澳大利亚昆士兰大学

研究背景

电解水制备清洁的氢燃料是科研工作者研究的重点方向之一。析氢反应目前主要使用Pt基贵金属催化剂，且大部分催化剂要求碱性或者酸性条件。由于贵金属Pt的高昂价格及强酸强碱对反应器及负载材料的腐蚀，极大地限制了电解水制备氢燃料的大规模应用。因此制备廉价且在中性条件下使用的高效催化剂是亟待解决的问题。在这项工作中，作者通过三步合成方法，制备出铁基（磷化铁）催化剂。由于金属铁纳米颗粒的引入及多孔多层级的结构设计，本文阐述的磷化铁催化剂在中性电解液中有着高性能的HER表现。

文章简介

近日，昆士兰大学化学工程学院赵修松教授（Prof. George Zhao）团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（影响因子：10.652）上发表题为“Improvement of the Electrocatalytic Performance of FeP in Neutral Electrolytes with Fe Nanoparticles”的研究工作。该工作发现在制备多孔、多层级磷化铁（FeP）过程中会生成金属铁纳米颗粒，并且均匀的镶嵌到FeP纳米片中。研究发现，金属铁纳米颗粒的生成有助于提高FeP催化剂的导电性，并产生金属-金属磷化物的协同效应，从而极大的提高其在中性电解液中析氢反应的活性。

图1. （A）-（C）铁醇盐-氧化铁-磷化铁三步合成多层级催化剂，（D）-（G）中性电解液中析氢反应。

本文要点

要点一：三步合成法制备多层级负载金属铁纳米颗粒的磷化铁

为了提高磷化铁（FeP）在中性电解液中HER的催化活性和稳定性，本文介绍了三步合成法方法：首先合成醇化铁纳米片（FeOR）, 然后通过在氮气中加热合成多孔的氧化铁(Fe2O3)，最后磷化处理合成富含金属铁纳米颗粒的磷化铁（pFe/FeP）。在整个制备过程中，不但保证了纳米片结构的完整，还逐步在纳米片表面引入纳米孔道，有效的增加了电化学活性面积（如图 1A-1C）。

要点二：金属铁-磷化铁协同效应及对HER的提高

为了探索金属铁纳米颗粒的引入对HER催化活性的影响，作者通过二次磷化合成出不含金属铁的FeP, 并在相同条件下测试了其HER性能作为对比。实验结果表明，金属铁纳米颗粒的引入，不仅可以提高催化剂的导电性能，而且由于金属铁-金属磷化物之间的协同作用，可以明显提高其在中性电解液中HER的表现。如图1（D）-1（G），在测试中pFe/FeP在中性电解液中表现出低起峰电位（ = 50 mV）和高催化活性（100 mA cm-2 @ = 380 mV）.

要点三：多层级多孔结构催化剂结构设计

通过三步合成方法同样实现了多孔多层级催化剂结构的设计。作者通过氮气吸附法和电化学活性面积的测试证实，对比与表面光滑的FeP催化剂，pFe/FeP的表面积提高了3倍多。提高的表面积不但有利于活性点的增加，且可以促进反应物和产物在活性点和电解液间的扩散，从而进一步提高HER性能。

要点四：前瞻

由于化石燃料的快速消耗和环境污染所在，引发了能源和环境危机。作为一种绝对清洁的能源，氢燃料被认为是最有希望的未来能源。虽然氢在自然界中储量巨大，但是需要高效的催化剂电解水才能实现可持续“氢燃料经济”。为了降低成本以实现大规模商业市场应用，研发廉价的铁基催化剂并实现中性电解液中高效HER有着巨大的需求和广阔的市场。通过精细的催化剂结构设计，包括原子尺度的掺杂，晶体结构的选择，晶体缺陷的引入，纳米尺度的多孔及微米尺度的多层级电极结构的构建，是未来制备高性能HER催化剂的一个发展方向。

文章链接

”Improvement of the Electrocatalytic Performance of FeP in Neutral Electrolytes with Fe Nanoparticles”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720334549

通讯作者介绍

赵修松教授

山东省泰山学者特聘教授、山东省泰山学者优势特色学科领军人才赵修松现为材料科学与工程学院教授、能源与环境材料研究院院长，同时兼任亚太储能协会主席、Nature子刊Scientific Reports编委、Journal of Porous Materials编委、英国皇家化学会期刊Journal of Materials Chemistry A国际顾问委员会委员。多年来，赵老师致力于纳米材料在能源、环境、水技术、以及光子晶体等领域的应用基础研究，取得了一系列具有重大影响和重要意义的创新性成果。赵修松老师不断探索、严谨治学、追求学术卓越的精神，使他在科学领域取得了众多成就：出版专著一部、发表论文410余篇、拥有专利8件，论文被引用32,000余次，h指数85，入选2016、2018和2019年世界高被引科学家。曾先后获得中科院科技进步二等奖、澳大利亚科学院年轻科学家奖、美国碳材料学会奖、国际材料协会奖、昆士兰大学校长教学与科研奖、澳大利亚联邦研究基金委员会人才项目奖等奖项和荣誉

第一作者介绍

肖长龙博士

2012年毕业于中南大学化学化工学院，2015年硕士毕业于新南威尔士大学化学院，硕士导师赵川教授，2018年博士毕业于莫纳什大学化学院，博士导师 Prof. Douglas R. MacFarlane 和张信义教授。随后在昆士兰大学赵修松教授课题组从事博士后研究工作，从事电极材料及催化剂的设计和制备。以第一作者身份在 Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal, Chemical Communication, ACS Sustainable Chemistry and Engineering 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文20余篇，被引用950余次。

课题组介绍

George Zhao’s Research

Project: Toward Sustainable Electrochemical Energy Storage Technology

This project aims to paving the way through sustainable sodium-ion capacitor EES system by solving the fundamental key issues and addressing grand challenges using both experimental and computational methods, including in-situ analysis techniques.

The specific objectives of this project are: