部分磷化双金属中心集成制备高性能三功能催化剂用于制氢和柔性锌-空气电池（英文）

开发高效且性能稳定的氧析出(OER)、氧还原(ORR)和氢析出(HER)三功能催化剂是制备能源存储与转换设备的关键.本文使用一步磷化法,在氮磷共掺杂碳基上制备了Fe Co金属合金/磷化物催化剂(Fe Co-P/PNC).该催化剂显示了良好的ORR性能,展现了0.86 V (vs.RHE,相对于可逆氢电极)的半波电位;在OER和HER反应中,催化剂在10 m A cm^-2的电流密度下的过电位分别为350和158 m V.密度泛函理论计算表明,磷在Fe Co磷化物和碳基体中皆起主导作用,使得该催化剂同时具有良好的ORR、OER和HER功能.以Fe Co-P/PNC为空气阴极组装的水系电池和柔性锌-空气电池的峰值功率密度分别为195.1和90.8 m W cm^-2,且两种电池均具有优异的充放电性能、长寿命和高柔性.此外,自供能的整体水分解系统表现出较低的(1.71 V)工作电压以驱动10 m A cm^-2的电流密度,进一步证实了该催化剂出色的多功能性.     

镍铁氢氧化物-磷化钴复合电极电催化分解水研究

本研究采用水热-磷化-电化学沉积法在磷化钴表面构筑了金属氢氧化物层,制备了NiFeOH/CoP/NF复合电极,考察了复合电极电解水制氢的性能。在1.0 mol/L.的KOH介质中,NiFeOH/CoP/NF复合电极表现出良好的催化电解水性能。在电流密度为100 mA/cm²时,NiFeOH/CoP/NF复合电极电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)所需的过电势分别为141和372 mV。在电流密度为10 mA/cm²时,NiFeOH/CoP/NF同时用作阴极和阳极电解水所需电压仅为1.61 V。NiFeOH保护层增强了CoP在电解水反应中的活性和稳定性,NiFeOH/CoP/NF复合电极在恒电流电解中表现出高的HER和OER稳定性,活性可维持60000 s,性能未见明显衰减。将NiFeOH/CoP/NF两电极电解池与GaAs太阳能电池组成光伏-电解水系统,该系统在100 mW/cm²模拟光照条件下,太阳能至氢能转化效率达到18.0%,并可稳定运行200 h。     

Co-Cu双金属MOF纳米片的合成及电催化析氧反应研究

析氧反应(OER)是电解水制氢的阳极反应,其反应速度仅为阴极析氢反应(HER)速度的十分之一。为了加快反应速度,通常需要使用RuO₂等贵金属催化剂,但贵金属的稀缺性及较低的催化活性限制了其发展。金属有机框架(MOFs)材料是一类非常具有发展前景的OER电催化剂,然而目前MOFs在电催化OER中的应用也面临诸多问题,例如制备过程复杂、配体价格昂贵、催化活性低等。在此,提出了一种简易的表面活性剂辅助法制备Co-Cu双金属MOF纳米片的方法,在室温下搅拌对苯二甲酸和硝酸铜、硝酸钴,十二烷基硫酸钠的混合溶液,即可得到尺寸约为100～200nm的Co-Cu MOF纳米片。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等手段对材料结构进行了表征。电催化OER性能测试表明,Co-Cu MOF(n_Co∶n_Cu=2∶1)在碱性条件下对OER反应具有优异的OER活性,达到电流密度10mA/cm²时的过电位(η₁₀)仅为320mV,明显优于单一的Co M...     

负载在Co/碳纳米纤维上的分层非晶双金属硫化物纳米片用于协同促进水电解（英文）

设计分层异质结构作为一种经济且高效的催化剂,以实现水分解的电子和界面工程,是能源存储与转化中的一个有意义的决策.在这项工作中,通过静电纺丝-碳化-电沉积的策略,制备了负载在嵌入Co纳米颗粒的碳纤维上的非晶态NiFeS纳米片(Co-C/NiFeS纳米纤维)催化剂.该催化剂具有优异的析氧反应(OER)活性,在1 mol L^-1 KOH溶液中,在10 mA cm^-2下的过电位为233 mV,Tafel斜率为53.1 mV dec^-1,同时还具有良好的析氢反应活性.此外,由Co-C/NiFeS纳米纤维作为阳极,商用Pt/C作为阴极构建的碱性Pt/C‖Co-C/NiFeS电解槽在10 mA cm^-2下实现1.48 V的低电池电压,优于基准Pt/C‖RuO₂电解槽和许多其他报道的电解槽.作为双功能电催化剂,Co-C/NiFeS‖Co-C/NiFeS自身组装的电解槽表现出70小时的长期稳定性,显著优于Pt/C‖RuO₂电解槽.该催化剂显著的OER性能得益于Co-C纳米纤...     

腐蚀-配位工程构建含有微量Pt的2D-3D纳米结构高效电解水催化剂（英文）

开发具有良好的催化性能和稳定性的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的电催化剂对水分解产氢的商业化起着关键作用.本文通过简单、可扩展的腐蚀配位方法,将金属氢氧化物和金属有机骨架(MOF)组成的二维-三维(2D-3D)纳米结构原位装饰在泡沫Ni Fe (Pt-Ni Fe PBA)上.所设计的特殊形态有利于在电催化过程中提供丰富的活性位点、优化反应途径和加速传质.因此,合成的Pt-Ni Fe PBA在1 mol L^-1KOH中HER和OER在10 m A cm^-2时具有29和210 m V的过电位.值得注意的是,在10 m A cm^-2时该催化剂仅需21 m V即可驱动1 mol L^-1KOH海水,并具有出色的稳定性.此外,将合成的Pt-Ni Fe PBA用作双功能电催化剂时,只需1.46和1.48 V即可以达到10 m A cm^-2.此外,间歇性的可持续能源,如热能、风能和太阳能可以为该水分解器提供动力.     

原子级Co掺杂纳米多孔RuO2催化剂中金属-氧配体键的动态收缩加速酸性氧析出反应(英文)

设计在酸性介质中具有高活性和高稳定性的氧析出反应(OER)催化剂对能量转换和储存技术的发展具有重要意义.然而,在实际OER条件下催化剂的原子结构会发生变化,且目前对其动态活性结构的认识仍然不足.本文中,我们通过退火和蚀刻纳米多孔Co-Ru合金合成了具有优异酸性OER活性和稳定性的原子级Co掺杂纳米多孔Ru O₂催化剂.原位X射线吸收光谱证实:蚀刻策略可以在原子级Co掺杂纳米多孔Ru O₂的金属中心周围产生丰富的氧空位,从而在实际OER条件下产生收缩的金属-氧配体键.这种动态结构演变降低了催化活性位点在OER过程中的动力学势垒,因而催化剂的催化活性和稳定性大幅提高.本研究结果揭示了催化剂活性结构的原子细节以及它们的结构演化对催化活性的影响.     

电纺碳基纤维材料电催化水分解制氢

电解水制氢是由阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)组成。由于HER和OER所需的过电位高,反应动力学迟缓,导致电解水槽电压远高于理论平衡电压,电能消耗严重。因此,探索高效、稳定的非贵金属基电催化剂具有重要的研究意义。利用静电纺丝技术构筑的纤维材料因其较大的比表面积、独特的化学结构、易于调节的组分以及快速的电子和物质传输性能而被广泛应用在能源转化与存储领域。基于此,综述了近几年电纺碳基纤维材料在电催化水分解制氢中的研究进展,重点关注了静电纺丝技术制备的纳米纤维电催化剂用于HER、OER以及作为双功能催化剂在全水分解中产生高催化性能的优势,并对电纺材料在电催化水分解中的应用特点及其未来可能面临的挑战和发展趋势进行了展望。     

NiFeZn-OH纳米片网络阵列与多层次多孔NiZn/Ni异质结协同耦合实现高效全水分解（英文）

开发高效、经济的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)电催化剂,在绿色和清洁氢能方面具有广阔的应用前景.本工作中,我们在泡沫镍负载的多层次多孔Ni Zn金属间化合物/Ni异质结上原位构筑Ni Fe Zn氢氧化物纳米片阵列(Ni Fe Zn-OH/Ni Zn-Ni/NF)用作高效的OER和HER电催化剂.首先,在泡沫镍表面构筑一层双峰多孔Ni Zn金属间化合物/Ni,获得最大程度的催化位点暴露,然后与Fe Cl₃氧化还原反应生长牢固的Ni Fe Zn-OH纳米片阵列.由于Zn掺杂、多界面工程以及三维一体化导电骨架的协同效应, Ni Fe Zn-OH/Ni Zn-Ni/NF对于OER和HER显示出低的过电势,在电流密度为5 0/6 0 0 m A c m^-2时分别约为235/284 m V和73/212 m V,其Tafel斜率分别为46.1和41.1 m V dec^-1,在碱性介质中显示出高的催化耐久性.作为双功能催化剂, Ni Fe Zn-OH/Ni Zn-Ni/NF在全水分解中达到20 m A cm^-2     

硫调控FeNi纳米合金作为双功能氧电极的研究（英文）

当前,FeNi合金由于其含量丰富、化学稳定性好的优点,在锌-空气二次电池(ZABs)中的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)方面受到了广泛的关注.然而,传统FeNi合金还具有导电性差、比表面积小、活性低等缺点,严重阻碍了它们的催化性能.我们通过对金属有机前驱体进行热处理,合成了以分级多孔碳为载体的S-调控FeNi纳米合金材料(S-FeNi/PC),以实现高效的双功能氧催化.S调控赋予了FeNi纳米合金优越的OER性能,同时还使材料保持了与Pt/C相当的ORR性能.因此,SFeNi/PC具有很好的双功能氧催化活性,优于商业的Pt/C和RuO₂贵金属基复合催化剂.值得注意的是,以S-FeNi/PC为电极组装的ZABs具有较高的比容量(792 mA h g^-1)、高峰值功率密度(123.5mW cm^-2),以及在10 mA cm^-2电流密度下可700次放电/充电循环的优异耐久性,这些性能远高于商用Pt/C-RuO₂催化剂,甚至超过了许多先前报道的工作.我们相信这项研究不仅为高效的...     

用于海水电解质中高效分解水合肼的镍-钼/钨双金属纳米合金（英文）

利用水合肼氧化反应(HzOR)取代缓慢的析氧反应(OER)是一种可以在海水裂解中长期产生氢气并抑制不利的析氯反应(ClER)的方法.然而,很少有催化剂能够满足在双电极系统中同时呈现出优异的析氢反应(HER)和HzOR以达到较低的电池电压的要求.在此,我们报道了双金属Ni₄Mo/Ni₄W纳米合金作为双功能催化剂,该催化剂对HER(-7 mV,10 mA cm^-2)和HzOR (-16 mV,10 mA cm^-2)具有显著的催化活性.在1.0 mol L^-1 KOH/2.0 molL^-1NaCl/0.1 mol L^-1 N₂H₄电解液中,双电极系统需要34,295和548 mV的低电池电压就能达到10,100和200mAcm^-2.密度泛函理论计算表明,Ni-Mo/W耦合不仅可以降低水解离的自由能和氢的吸附/脱附,而且可以优化吸附水合肼中间体的脱氢动力学.     

界面工程用于提高CoP-Co2P多晶型物在全pH值析氢反应和碱性全解水反应中的电催化性能(英文)

开发具有丰富活性位点和高本征活性的磷化钴催化剂,用于高效且稳定的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)具有重要意义.本工作通过精准地控制球形膦酸钴的热还原温度合理地构建了新型的碳包裹的CoP-Co₂P多晶型物.独特的多级孔结构和CoP-Co₂P之间的异质界面不仅提高了活性位点的数量,而且还保证了优异的内在催化活性.所制备的催化剂展现出优异的电催化活性和稳定性(对于全pH值H E R(0.5 mol L~(-1H₂SO₄:81 mV@10 mA cm^-2; 1.0 mol L^-1KOH:109 mV@10 mA cm^-2; 1.0 mol L^-1PBS:227 mV@10 mA cm^-2)和碱性OER(1.0 mol L^-1KOH:1.53 V@10 mA cm^-2)).在作为双电极电解槽中全解水反应的双功能电催化剂时,该材料可以在1.60 V的低电...     

双缺陷工程RuO2/D-Co3O4/CC复合材料作为引发酸性介质中氧析出反应的高效电催化剂(英文)

缺陷工程被认为是提高催化剂性能的有效方法,因为它能使催化剂具有丰富的活性位点和合适的结合能,从而提高催化性能.本文采用简单的电沉积和酸蚀刻方法制备了双缺陷工程RuO₂/D-Co₃O₄/CC(低Ru负载2.42 wt%)复合材料,用于增强酸性介质中的氧析出反应(OER).所制备的RuO₂/D-Co₃O₄/CC催化剂采用物理化学技术进行了深入表征,结果表明催化剂中存在明显的阴离子和阳离子缺陷.实验研究表明具有双重缺陷的优化RuO₂/D-Co₃O₄/CC催化剂暴露了更多的电化学活性位点,有效降低了催化反应对电解质中质子浓度的依赖性,从而触发了高性能的OER.只需要181 mV的过电位就能驱动10 mA cm^-2的电流密度,并能在此电流密度下保持连续电解120 h. RuO₂/D-Co₃O₄/CC是一种很有前途的...     

Co2Ni1O4/不锈钢复合材料的制备及其电催化析氧性能

电解水包括析氢反应(HER)与析氧反应(OER),由于OER是复杂的4电子转移过程,制作出具有优异耐久性的高活性的非贵金属OER电催化剂对于电解水至关重要。为了降低成本,选择304型不锈钢网(SS)作为基体,使用电沉积的方法制备钴-镍双氢氧化物,利用真空煅烧的方法制备钴-镍氧化物。使用XRD、SEM、TEM、XPS和电化学工作站对Co₂Ni₁O₄/SS复合材料的晶体结构、形貌和电催化OER性能进行了研究。结果表明:电沉积制备的钴-镍双氢氧化物煅烧之后转变成尖晶石结构的钴-镍氧化物;在不锈钢表面成功合成了大量密集的层状结构;在1.0 mol/L KOH电解液中,Co₂Ni₁O₄/SS电极表现出优异的OER电催化性能,达到10 mA·cm?2电流密度时所需要的过电位仅为240 mV,Tafel斜率为53.92 mV·dec?1,并且表现出优异的稳定性。      

铱钴纳米纤维作为一种高效稳定的双功能电催化剂用于高性能水裂解（英文）

本文通过静电纺丝-煅烧-原位氢还原-置换工艺制备了嵌入铱的钴纳米纤维(Co-Ir-600).得益于独特的一维纳米纤维异质结构给予的快速电子传输和传质过程以及Ir和Co两组分之间的协同作用,Co-Ir催化剂在碱性电解质中达到10 mA cm^-2电流密度仅需169 mV的极低过电位,表现出优异的析氧电催化活性.此外,该催化剂还具有良好的析氢反应性能.我们构建了一种将Co-Ir-600纳米纤维催化剂同时作为阳极和阴极的碱性电解槽,其只需要1.51 V的低电池电压即可达到10 mA cm^-2的电流密度且耐用性好,性质明显优于参照的Pt/C||IrO₂以及许多已报道的水电解槽.本研究为制备经济高效的金属基水裂解电催化剂提供了一种通用有效的方法.     

非晶Co-W-B/碳布复合电极材料的制备及其电解水催化性能

通过湿化学还原在碳布(CC)表面沉积非晶Co-W-B催化活性物质,制备一种自支撑Co-W-B/碳布(Co-W-B/CC)复合电极材料。电化学研究结果表明,Co-W-B/CC材料在NaOH溶液(1 mol/L)中表现出良好的电解水催化性能。制备过程中[WO₄^2-]/([WO₄^2-]+[Co²⁺])比值为50%的Co-50W-B/CC样品其催化活性最高：10 mA/cm²时的OER过电位为0.394V,OER过程的Tafel斜率为96.8 mV/dec;-10 mA/cm²时的HER过电位为0.098 V,HER过程的Tafel斜率为117.4 mV/dec。对电化学阻抗的分析结果表明,本征催化活性和电化学活性面积两者的提高,使Co-50W-B/CC样品在较低的电流密度下具有与贵金属基材料相近的催化活性。     

碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用

具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co₃(OH)₂(HPO₄)₂(Co-OH-HPi)。研究表明：Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co (Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^-2电流密度下816 mAh·g_Zn^-1的大放电比容量和150 mW·cm^-2的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。     

一种用于肼氧化-复合海水电解制氢的富吡啶氮碳纸（英文）

丰富的中性海水有望替代高纯淡水用于绿氢制备,然而基于过渡金属材料催化的直接海水电解会因析氯反应(ClER)引发严重的腐蚀问题并造成二次重金属污染,且析氧反应(OER)的动力学缓慢.本工作中,我们报道了一种稳定的富吡啶氮的碳纸(N-CP-800),可以有效地催化肼氧化反应(HzOR),以取代中性海水中的OER用于节能制氢.结合电化学实验、原位衰减全反射-表面增强傅里叶变换红外光谱表征和密度泛函理论计算,我们发现:相较于吡咯氮和石墨氮, zig和arm构型的吡啶氮更有利于决速步(^*H+N₂H₁)的质子脱附,以促进肼氧化反应.因此, N-CP-800在中性介质中进行HzOR时,仅需0.78 V (相对于可逆氢电势)便可达到10 mA cm^-2,低于其OER/ClER竞争反应.当N-CP-800与非贵金属析氢催化剂CoP耦合进行HzOR-复合海水电解时,仅需1.56 V的电压即可达到10 mA cm^-2,并能稳定运行200 h,优于Pt/C和RuO₂标准电极对催化...     

氮掺杂碳纳米纤维包覆超细碳化钼/氮化钼异质结构用于碱性条件下电催化析氢

高效非贵金属催化剂对于推进析氢反应(HER)的大规模工业化至关重要.碳化钼(Mo₂C)因其类似铂的能带密度和优良的中间产物吸附特性,有望替代贵金属基材料成为具有前景的催化剂.然而,它在常规制备过程中存在严重的晶体过度生长和团聚问题,导致催化效率低.本研究利用三聚氰胺辅助法制备了含有丰富表面和界面的超细碳化钼/氮化钼(Mo₂C/Mo₂N)异质结构,并同时将其嵌入到氮掺杂碳纳米纤维(CNFs)中.Mo₂C/Mo₂N异质结构的协同作用与超细纳米晶表面暴露的丰富活性位点共同提高了电催化活性,而氮掺杂碳纳米纤维框架保证了快速的电荷转移和良好的结构稳定性.此外,原位形成的Mo₂C/Mo₂N晶体与碳基质之间存在较强的界面耦合作用,进一步提高了电子电导率和电催化活性.得益于这些优势,Mo₂C/Mo₂N@N-CNFs在碱性溶液中表现出优异的电催化析氢性能,在电流密度10 mV cm^-2时具有75 mV的低过电势,优于单相Mo₂C@N-CNFs对比样以及近期报道的Mo₂C/Mo₂N基催化剂.这个合成方法集成了异质结构、纳米化和碳修饰策略,为设计高效率电催化材料提供了新的参考.     

铂–镍双原子分散在具有新型(NiPt)-N4C2构型的氮掺杂碳纳米结构上用于协同电催化析氢反应(英文)

单原子催化剂具有原子利用率高、活性中心明确、催化中心原子配位数低等优点,有望提高电催化性能.具有相邻杂原子的双原子催化剂(DAC)有望发挥两个原子的协同作用,从而进一步提高活性.在本文中,我们报道了一种PtNi-NC催化剂,该催化剂由固定在氮掺杂碳基底上的PtNi双原子构成,该基底采用原子层沉积技术合成. X射线吸收光谱证实了Pt–Ni双原子的存在.所制备的PtNi-NC催化剂具有优异的催化活性,在10 m A cm^-2的电流密度下,酸性介质中析氢反应(HER)的过电位为30 m V,与市售20 wt%Pt/C相当.特别值得注意的是, PtNi-NC具有比20 wt%Pt/C更高的质量活性,约为其21倍.密度泛函理论计算表明, Pt–Ni双原子通过调节局部电子结构和优化电荷分布产生协同效应,有助于优化吸附性能和增强电催化性能.这项工作为DAC的制备提供了新途径,揭示了它们在电催化HER等领域的应用潜力.     

电化学法制备Co(OH)2/Cu(OH)2异质结电极及其作为析氧电催化剂的研究

贵金属IrO₂和RuO₂被广泛认为是优异的析氧(OER)催化剂，但是高成本限制其应用与发展，故开发高效的非贵金属OER催化剂具有重大的实际意义和应用前景。采用简便的电化学法制备了一种三维异质结电极Co(OH)₂/Cu(OH)₂作为优良的OER催化剂。Co(OH)₂/Cu(OH)₂由于其三维异质结构，使其具有较大的比表面积和充足的活性位点，同时调节了表面Co的电子结构进而提高OER活性，表现出优良的催化性能。在1mol/L KOH溶液中，Co(OH)₂/Cu(OH)₂能在270mV的低过电位下达到10mA/cm²,并且能保持在100mA/cm²的大电流密度下较长时间进行OER反应，是一种优良的OER催化剂。