第一作者：Ruopeng Li
通訊作者：楊培霞，王博，武剛
通訊單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)；紐約州立大學(xué)布法羅分校
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析氫反應(yīng)（HER）對于通過節(jié)能的堿性水電解產(chǎn)H2 具有重要意義，但仍然面臨挑戰(zhàn)。通過整合異 質(zhì)材料，可以有效設(shè)計(jì)出有利于水解離（WD）和H-立即參與的吸附/解吸行為的電催化
本研究展示了一種有前途的配置，即將釩氧化物與鈷磷化物平面集成在一起，生長在鎳泡沫上（VOx -CoP/NF），全面提高了堿性HER動力學(xué)。摻雜的釩氧化物優(yōu)先發(fā)生WD過程以生成H-中間體。同時(shí)，VOx 和CoP之間的相互作用誘導(dǎo)電子重新分布，優(yōu)化了3d-2p軌道雜化狀態(tài)，平衡了H*的吸附強(qiáng)度，以促進(jìn)氫氣的轉(zhuǎn)移和富集。
最終，VOx-CoP/NF展現(xiàn)出卓越的堿性HER性能，在10/400 mA cm?2 時(shí)的過電位僅為65/245 mV，優(yōu)于單獨(dú)的CoP和大多數(shù)代表性的鈷磷化物候選材料。
使用VOx-CoP/NF作為雙功能催化劑組裝的流動陰離子交換膜（AEM）尿素輔助水電解器，實(shí)現(xiàn)了令人滿意的性能，驗(yàn)證了其高效產(chǎn)氫的實(shí)用可行性。本研究示范的概念是通過合理構(gòu)建明確配置來同步優(yōu)化HER的基本反應(yīng)步驟動力學(xué)，這對于設(shè)計(jì)HER電催化劑具有指導(dǎo)意義。
圖1 展示了VOx -CoP/NF的合成示意圖；掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；透射電子顯微鏡（TEM）圖像；選區(qū)電子衍射（SAED）圖像；高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像；以及高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）和相應(yīng)的能量色散光譜（EDS）面掃圖像。
圖2 展示了VOx -CoP/NF、VO2 和V箔的V K-edge X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜和相應(yīng)的傅里葉變換擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（FT-EXAFS）光譜；VOx -CoP/NF、CoP/NF和Co箔的Co K-edge XANES光譜和相應(yīng)的FT-EXAFS光譜；以及VOx -CoP/NF和CoP/NF的WT-EXAFS圖譜比較。
圖3 展示了VOx-CoP/NF、CoP/NF、Pt-C和NF在1.0 M KOH中的極化曲線；相應(yīng)的Tafel斜率比較；與最近研究的性能比較；綜合電化學(xué)性能雷達(dá)圖；VOx -CoP/NF在10和100 mA cm-2 下的計(jì)時(shí)電位曲線；在AEM系統(tǒng)中運(yùn)行的尿素輔助電解性能和在100 mA cm-2 下的計(jì)時(shí)安培曲線。
圖4 展示了VOx -CoP/NF和CoP/NF在恒定電位條件下的電化學(xué)FT-IR光譜；電化學(xué)處理后的VOx -CoP/NF（紅色）和CoP/NF（藍(lán)色）的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）剖面，插圖顯示了從18.8到19.2的放大信號范圍；VOx -CoP/NF和CoP/NF上H3 O+ 物種的相應(yīng)2D分布圖像。
圖5 展示了VOx -CoP模型的計(jì)算電荷密度差；VOx -CoP和CoP模型的pDOS比較；VOx -CoP和CoP模型的d-p軌道耦合態(tài)的示意圖；不同模型/位點(diǎn)的水解離和氫吸附的吉布斯自由能變化的計(jì)算；在VOx -CoP候選材料上提出的HER途徑的示意圖。 本研究開發(fā)了一種高性能的HER催化劑VOx-CoP/NF，通過配體交換和高溫磷化處理實(shí)現(xiàn)。釩氧化物摻雜劑與鈷磷化物平面的有前途的配置，使得催化析氫遵循動力學(xué)快速的Volmer-Heyrovsky途徑，賦予了顯著的HER性能，并通過尿素輔助電解實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的氫氣生產(chǎn)。 通過多光譜表征結(jié)合DFT計(jì)算揭示，摻雜的釩氧化物物種可以有效推動水解離。同時(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的吸引人的電子環(huán)境確保了催化劑表面H-中間體的動態(tài)轉(zhuǎn)移和覆蓋，從而全面促進(jìn)了HER動力學(xué)。 研究者針對催化配置的目標(biāo)優(yōu)化策略可能為設(shè)計(jì)先進(jìn)的非貴金屬催化系統(tǒng)提供機(jī)制理解。 標(biāo)題: VOx-doped CoP catalysts with synergistic dual-active configuration for boosting hydrogen evolution kinetics DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109613
原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/04/16/33c660e171/
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