氢能作为一种能量高、洁净的可再生能源受到广泛关注。通过电化学水解制备氢气是当前研究热点之一。近年来,全水解电极催化剂的设计制备取得了瞩目的研究。然而,寻找能在中性水电解质中同时展现高活性、高稳定性的水氧化和还原非贵金属电催化剂仍然是电解水制氢研究领域的一大挑战。

近日,中国科学技术大学俞书宏教授团队和高敏锐教授课题组采用简单的电化学沉积和固相磷化两步反应,设计并成功制备了镍的磷化钴（Ni0.1Co0.9P）三元纳米片电催化剂。相比于纯的Ni2P和CoP,后的材料在中性条件下同时展现出优异的水还原和氧化电催化活性和稳定性。实验人员将这种三元材料作为中性水全分解电解池的阴极和阳极,发现其性能优于以商业贵金属材料作为电极制备的电解池。研究以"A Janus Nickel Cobalt Phosphide Catalyst for High-efficiency Neutral-pH Water Splitting"为题,发表在《应用化学》上（Angew.Chem.Int.Ed. 2018, 57, 15445 –15449）,并被选为Hot Paper和内封底封面。论文的共同第一作者是中国科大博士研究生吴睿、西安交通大学肖冰教授和中国科大高强特任副研究员。

研究人员制备的Ni0.1Co0.9P三元纳米催化剂具有多孔结构,有利于电化学反应中的传质过程。在中性电解液中,其水还原电流密度达到10 mA/cm2时所需电势为125 mV,而其水氧化反应在电流密度达到10 mA/cm2时所需电势为1.79 V,展现出与商业Pt/C和Ir/C电催化相媲美的催化性能。机理研究表明,这种新型Ni0.1Co0.9P三元纳米片相比于纯的CoP结构,Ni原子的导致其晶胞发生收缩,从而压缩Co-P键的键长,引起局域Co氧化态的升高。理论计算结果,这种Ni引起的电子态变化会降低催化剂在中性水氧化和还原反应过程中活性位点与中间产物的吸附能,赋予催化剂优异的催化性能。

图2.(a-c) Ni0.1Co0.9P三元纳米电催化剂的水氧化和水还原催化活性及其器件性能评估

研究人员进一步将制备的Ni0.1Co0.9P三元纳米催化剂作为双电极构筑了水全分解电解池。实验结果显示,在中性水电解质中,该器件性能优于以商业Pt/CIr/C为电极材料构筑的电解池,展现了工业级电解水制氢的潜能。这项工作为发展廉价三元过渡金属磷化物作为电极用以中性水电解制氢提供了新的研究思,展现了潜在的商业应用前景。

该项研究得到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金等资助。

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、化学与材料科学学院、科研部）