Ultrafine molybdenum carbide nanoparticles supported on nitrogen doped carbon nanosheets for hydrogen evolution reaction

Nitrogen doped carbon nanosheets supported molybdenum carbides nanoparticles (Mo_xC/NCS) have been synthesized by tuning the mass ratio of melamine and ammonia molybdate. The Mo₂C/NCS-10 exhibits superior electrocatalytic performance and stability for HER, which was attributed to N-doped carbon nanosheets, small particle size, mesoporous structure, and large electrochemical active surface area.     

Facile synthesis of ordered mesoporous molybdenum carbide electrocatalysts for high-performance hydrogen evolution reaction

In this study, a simple method was designed to prepare ordered mesoporous carbons embedded with molybdenum without any extreme conditions. We prepared three different ordered molybdenum carbide materials with mesoporous structures to explore the influence of the structure of molybdenum-based materials on the HER catalytic efficiency. The ordered mesoporous molybdenum carbide catalysts (CMK-3-MoCx, fCMK-3-MoCx, CMK-8-MoCx) were characterized by SEM, TEM, XRD, nitrogen adsorption-desorption and XPS. The HER is catalyzed efficiently on the three electrocatalysts, fCMK-3-MoCx shows the best HER electro-catalytic performance with a small onset potential of −0.06 V vs. RHE, a low tafel slope of 66 mV dec⁻¹ and a small over-potential value of 89 mV at 10 mA cm⁻². This excellent performance on HER is due to its high specific surface area and highly ordered mesoporous structure that resulted in excellent proton transport efficiency and high electron transfer rate. Our results provide a new research direction for the application of flat ordered mesoporous structures in catalysis.     

碳纳米纤维负载铁钴镍硼化物可控制备及其电催化析氢性能研究

通过乙醇催化燃烧法制备了碳纳米纤维（CNFs），采用化学沉积法在CNFs载体上负载铁钴镍硼化物（FeCoNiB），并以多种测试手段对其表征，研究了化学沉积工艺条件对FeCoNiB粒径、分散、成分及结构的影响，建立了碳纳米纤维负载的铁钴镍硼化物（FeCoNiB/CNFs）可控制备方法。采用电化学测试手段研究了FeCoNiB/CNFs在碱性环境下的氢气析出反应（HER）催化性能。结果表明，在100 mA/cm²的电流密度下，FeCoNiB/CNFs的过电位仅为366 mV，塔菲尔斜率低至41 mV/dec；在持续10 h的稳定性测试中电位衰减幅度很小，基本保持不变。这说明FeCoNiB/CNFs制备成本低，但其高稳定性可媲美贵金属的高催化活性HER催化剂；该研究可为非贵金属HER催化剂的研制及低成本电解水制氢技术的规模化应用提供参考。     

三维百合花状的CoNi2S4作为先进的双功能电催化剂用于氢析出和氧析出反应

为简化电解水催化剂的合成过程和优化电解水操作系统, 双功能电解水催化剂的研究, 特别是在碱性条件下同时具有优异催化氢析出和氧析出反应性能的双功能电催化剂的研究尤为重要. 其中, 过渡金属硫化物, 特别是 CoNi 硫化物, 被报道有与氢化酶类似的催化活性中心, 从而具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能. 虽然有关对过渡金属硫化物的研究很多, 但主要集中在具有一维纳米线和二维纳米片形貌结构的过渡金属硫化物. 不幸的是, 这些形貌结构的过渡金属硫化物在电催化过程中容易聚集和受限于电荷传输能力. 三维纳米结构的材料具有较大的比表面积以分布更多的活性位点和拥有良好的电子传输能力, 所以, 开发三维纳米结构的过渡金属硫化物材料可能是改进其催化电解水性能的一个好途径. 本文采用简单的两步水热法, 通过硫化合成的 CoNi 前体得到了长于泡沫镍上的三维百合花状的 CoNi2S4(Co-Ni2S4/Ni). 它只需要 54 mV 的过电位即可获得 10 mA cm-2的催化氢析出反应电流, 是最好的碱性催化氢析出反应电极材料之一. 它在驱动 100 mA cm-2的催化氧析出反应电流时也只需要 328 mV 的过电位. 另外, 把 CoNi2S4/Ni 分别作为阴极和阳极组装成双电极碱性水电解槽时, 它只需要 1.56 V 的电压即可获取 10 mA cm-2的催化全电解水电流并具有良好的催化全电解水稳定性.扫描电子显微镜、透射电子显微镜和 N2吸脱附曲线测试结果表明, 该三维百合花状的 CoNi2S4/Ni 的表面粗糙度高和拥有多孔特性. 多孔结构的 CoNi2S4/Ni 可提供更多可接触的催化活性位点, 也有利于催化过程中的电解质和生成的气体的扩散与传递. 交流阻抗图谱测试结果表明, CoNi2S4/Ni 具有良好的电子传输能力. 另外, 不同于前期对尖晶石结构的硫化物 AB2S4的研究结果, XPS 结果表明, CoNi2S4/Ni 中含有 Niб+和 Sб-活性物种, 表明 CoNi2S4具有与活性氢化酶类似的活 性中心. Niδ+和 Sδ-可分别作为氢氧根和质子的接收体, 协助促进吸附的水分子的分离, 从而提高材料的催化性能. 所以, Niδ+和 Sδ-活性物种的出现, 大比表面积的三维百合花状多孔结构和良好的电荷传输能力等特性集合于 CoNi2S4/Ni 上使得CoNi2S4/Ni 具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能.     

Cobalt and nitrogen codoped porous carbon as superior bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction in alkaline medium

Metal (cobalt)/nitrogen codoped carbon was first fabricated by pyrolysis of coordinated “noncarbonizable” polymer as bifunctional catalyst for ORR and HER, which showed better electrocatalytic performances than most bifunctional doped carbon catalysts in alkaline electrolyte.     

原位Raman光谱揭示中性条件下硫化钼结构变化对其电催化析氢反应的促进作用

硫化钼是析氢反应(HER)有前途的电催化剂. S-或Mo物种均被认为是形成吸附氢触发HER反应的活性位, 但Mo中心和S配体间相互作用的本质仍不清楚. 另外, 采用中性的水作为质子源用于产氢, 来开发低成本的水裂解催化剂体系为研究者高度关注, 但人们很少研究中性水条件下HER反应的机理. 本文采用原位电化学Raman光谱对所合成的硫化钼中Mo-Mo和S-S物种在中性条件下的结构变化进行了监测. 结果显示, 归属于端位S-S物种的谱带随着Mo-Mo, Mo3-μ3S和Mo-S振动谱带频率而同步变化, 表明Mo-Mo键与端位S-S键起着协同作用, 从而有利于氢气的生成. 这可能是通过三核Mo3-μ3S物种的内部重组而确认的. 本文所揭示的HER反应中金属-配体相互作用的本质与作用表明了一个不同的反应机理, 而以往的机理认为, S或Mo活性位独立起作用而促进HER反应的进行.     

Metal-organic framework derived NiCoP hollow polyhedrons electrocatalyst for pH-universal hydrogen evolution reaction

Hollow nanostructures have attracted increasing research interest in hydrogen evolution reaction owing to their unique structural features.Herein,Ni-Co mixed metal phosphide hollow and porous polyhedrons was successfully composited(expressed as NiCoP).Benefiting from the synergistic effects of ZIF-67 by doping Ni elements and the well-defined hollow and porous structure,the as-synthesized NiCoP hollow and porous polyhedrons exhibit better electrochemical properties and mechanical stability for hydrogen evolution reaction over a pH-universal range,with a small Tafel slopes of 72,101,176 mV/dec,and a low overpotential of 82,102,261 mV at a current density of 10 mA/cm² in 0.5 mol/L H₂SO₄,1 mol/L KOH and1 mol/L phosphate buffer solution(PBS).This general strategy can also be applied to fabricate other hollow cobalt-based phosphides and MOFs-derived materials for HER.     

Molybdenum-doped titanium dioxide supported low-Pt electrocatalyst for highly efficient and stable hydrogen evolution reaction

The Platinum(Pt)-based catalysts exhibit excellent catalytic performance for the hydrogen evolution reaction(HER) while suffering from poor stability due to the weak interaction between the carbon support and Pt.Herein,a molybdenum-doped titanium dioxide(Ti_(0.9)Mo_(0.1)O_2) supported low-Pt electrocatalyst with stronger interaction between catalyst and support is applied to tune the electrocatalytic performance of Pt.The Ti_(0.9)Mo_(0.1)O_2 support can not only tolerate the corrosion environment in the catalytic system,but also generate strong metal-support inte raction(SMSI) between the oxide and catalyst.A facile solvothermal method is used to prepare Ti_(0.9)Mo_(0.1)O_2 as support to anchor Pt nanoparticles.The 5% Pt supported on Ti_(0.9)Mo_(0.1)O_2 catalyst exhibits 4.4-fold mass activity(MA) at an overpotential of 50 mV and higher stability than 20% Pt/C with only 1/4 Pt loading.The SMSI between the Ti_(0.9)Mo_(0.1)O_2 and Pt prevents the Pt aggregation to achieve excellent stability,and hydrogen spillover effect in the interface between Pt and support benefits the hydrogen production process.This work presents a novel sight for the fabrication and design of oxide supported catalysts in various catalytic system by reasonably employing support effect.     

弱磁性Co0.85Se纳米片负载碳纳米管作为电催化析氢催化剂

氢气是一种环境友好可再生的清洁能源,电解水无疑是一种很好的制氢方法.然而,电催化分解水析氢受到其缓慢的动力学过程、较低的催化性能和较差的稳定性的限制.为了使整个过程更节能,具有高电流密度和低的过电势的高效电催化剂被广泛研究.非化学计量相硒化钴(Co0.85Se)作为一种重要的金属硫属化合物具有优异的催化性能而广受关注.但是低维的Co0.85Se活性位点少,分散性差,电子传递能力低,导致其电催化剂活性差.多壁碳纳米管(MWCNTs)具有多种电性能,包括金属导电性和电子存储能力等.因此,MWCNTs的特殊结构和高导电性可以有效地促进电子从电催化剂向碳纳米管的转移,实现高效电分解水制氢性能.本文在不使用表面活性剂和模板的情况下,通过一步水热溶剂热法合成弱磁性Co0.85Se纳米片负载碳纳米管电催化剂.采用磁滞回线研究Co0.85Se和MWCNTs/Co0.85Se的磁性能,结果表明其有弱顺磁性,Co0.85Se纳米片之间的空间距离增强导致粒子间偶极相互作用减弱,从而使MWCNTs/Co0.85Se纳米复合材料的矫顽力值增加到158 Oe.随着微晶尺寸的减小和纳米颗粒间距的增大,MWCNTs/Co0.85Se催化剂的比表面积增大,有利于提高其电催化活性.扫描电镜和透射电镜展示出Co0.85Se纳米片分散性较差,且团聚现象严重,而MWCNTs/Co0.85Se纳米复合催化剂显示Co0.85Se纳米片均匀分散在MWCNTs表面,且纳米片尺寸明显减小,有利于Co0.85Se纳米片暴露更多的活性位点.线性扫描伏安曲线测量表明,在酸性溶液中Co0.85Se纳米片在电流密度为10 mA cm?2时,其过电势为319 mV(vs.RHE),30 wt%MWCNTs/Co0.85Se的过电势为266 mV(vs.RHE).Co0.85Se和MWCNTs/Co0.85Se的Tafel斜率分别为92.6和60.5 mV dec?1.此外,MWCNTs/Co0.85Se的电流交换密度(j0)为0.07 mA cm?2.较小的Tafel斜率和高的电流交换密度表明,MWCNTs/Co0.85Se具有良好的反应动力学和快速的质子分离速率.交流阻抗谱表明MWCNTs/Co0.85Se比Co0.85Se电阻更小,电子传输速率更快.电化学活性表面积与双电层在固液界面处的电容测量值成正比.结果显示,30 wt%MWCNTs/Co0.85Se的双电层电容为0.22 mF cm^-2,高于Co0.85Se和15 wt%的rGO/Co0.85Se(0.04 mF cm^-2,0.17 mF cm^-2),这表明较大的电化学活性表面积有利于析氢反应进行.30 wt%MWCNTs/Co0.85Se的循环稳定测试表明其具有较好的稳定性.综上,本文介绍了通过一步水热法合成具有弱磁性的Co0.85Se和MWCNTs/Co0.85Se电催化剂,碳纳米管作为一种高导电性材料被引入Co0.85Se纳米片中以减少Co0.85Se的团聚,使Co0.85Se的活性位点增加,进而提高电催化制氢性能.     

碳纳米管@碳化硅同轴异质结纳米管非金属光催化剂产氢性能（英文）

近年来,光催化裂解水产氢(H2)引起了广泛的关注.储量丰富,环境友好的非金属无机半导体β-SiC(立方相碳化硅)具有适当的带隙(Eg=2.4 eV,ECB=?0.9 V),是一种潜在的光催化剂.受限于SiC光催化剂内部光生电子-空穴对的快速复合,SiC光催化剂的效率较低.已有的关于SiC光催化剂改性的报道主要包括构建纳米SiC,构建SiC异质结,构建碳/SiC材料杂化材料.进一步的研究表明,SiC与碳材料之间通过紧密的界面接触形成了肖特基结,能将SiC表面的光生电子快速转移,抑制光生电子-空穴对的快速复合,从而提高光催化分解水产氢的活性.另一方面,碳纳米管(CNTs)具有良好的电子导电性,一维有序的管腔所形成的电子快速传导路径.因此,将半导体光催化剂与CNTs复合,是一种制备先进的光催化剂的有效策略.本文利用Si蒸气与CNTs之间的气-固反应,在CNTs表面原位生长SiC纳米包覆层,成功地制备了一维同轴核-壳CNTs@SiC纳米管.高分辨率透射电子显微镜图像表明,SiC与CNTs之间是通过Si-C共价键原子接触,并得到X射线光电子能谱的证实.将一部分CNTs@SiC纳米管在空气中750 oC煅烧2 h以除去CNTs,得到纯SiC纳米颗粒作为对比组.紫外-可见吸收光谱表明,CNTs能够促进SiC对光的吸收.荧光发射光谱(PL),瞬态荧光寿命测试,瞬态光电流测试以及交流阻抗(EIS)测试表明,CNTs能够促进SiC表面光生电子的传输与分离,有利于提升光催化效率.以0.1 mol/L Na2S溶液作为牺牲剂,在模拟太阳光(A.M 1.5)照射下,CNTs@SiC纳米管(不额外负载Pt等贵金属作为助剂)的产氢速率为118.5μmol g^-1 h^-1,是纯SiC纳米颗粒(21.1μmol g^-1 h^-1)的5.62倍.经过20 h的光照测试,CNTs@SiC纳米管的光催化性能无明显衰减;X射线衍射测试与扫描电子显微镜图像表明,CNTs@SiC纳米管的结构与形貌反应前后几乎无变化.莫特-肖特基测试表明,CNTs的费米能级比SiC低,因此SiC表面的光生电子能够快速地转移到CNTs,并且CNTs的良好导电性与一维有序的管腔所形成的长的电子传导路径能够进一步地增加电子寿命,促进光生电子参与光催化反应.另外,通过原子连接的同轴核-壳CNTs@SiC纳米管提供了大量且有效的电子传输路径.因此,与纯SiC纳米晶等同类材料相比,无机非金属CNTs@SiC纳米管具有更强的光催化氢活性.     

溶剂热法制备磷掺杂碳纳米管作为氧气还原和氧气析出反应双功能电催化剂的研究

对氧气还原(ORR)和氧气析出(OER)反应都具有催化活性的双功能催化剂在金属-空气电池中起着关键作用.本文通过溶剂热反应,一步原位合成了磷掺杂碳纳米管(P-CNT).旋转环盘电极测试表明磷掺杂能够明显提高碳纳米管的催化活性,P-CNT在碱性电解质中对ORR和OER都具有优异的催化活性.P-CNT对ORR的催化还原为近4电子反应,可与商业催化剂Pt/C(20 wt%)相比;而其对OER的催化活性则高于Pt/C(20 wt%).此外,P-CNT的长期稳定性优于Pt/C(20 wt%).P-CNT对ORR和OER的高催化活性和稳定性主要归因于磷对碳的掺杂以及磷与碳间强的化学键合.     

可控表面磷原子修饰提升超细W2C纳米颗粒电解水析氢反应性能

研究高活性和稳定性的非贵金属基析氢催化剂对解决当前能源危机和环境污染问题具有重要意义.碳化钨具有与贵金属Pt类似的d带电子结构,因而成为一类新兴的非贵金属析氢催化剂,受到广泛关注.磷掺杂是提高催化剂析氢活性的有效方法之一,然而目前最常见的构筑磷掺杂方法是使用多金属氧酸盐(POMs,如H3PW12O40),其固定的W/P原子比导致W2C中的掺杂浓度难以调控,并且磷掺杂主要是进入碳载体而不是碳化物本身,从而导致无法明确杂原子对其电催化析氢活性的贡献.本文采用植酸(PA)为磷源设计合成了可控磷掺杂W2C纳米颗粒,并探讨了催化剂组分、杂原子掺杂位置与析氢性能之间的关系.深入研究了磷掺杂碳化钨(WCP)的化学结构和析氢活性.与原始的W2C催化剂相比,WCP具有更高的本征活性、更快的电子转移速率和更多的活性位数量,并且在酸性和碱性条件下均表现出较好的析氢性能.特别是过电位为-200 mV时,WCP催化剂的本征活性在酸性和碱性条件下分别为0.07和0.56 H2 s-1,高出纯W2C(0.01和0.05 H2 S-1)数倍.同时,在电流密度为-10 mA cm-2时,优化后的WCP催化剂在酸性和碱性条件下的析氢过电位分别降低了96和88 mV.XPS及EDS元素分析结果表明,随磷源添加量增加,磷掺杂从碳化钨表面逐渐向内部扩散,进一步说明磷取代位置与析氢活性之间的构效关系,高浓度的表面磷取代可以加速质子捕获过程,从而显著提高其析氢活性,而过量的内部磷取代会破坏W2C结构,降低电子转移速率,从而导致析氢性能下降.利用密度泛函理论计算深入研究了WCP具有较好析氢性能的原因,与内部磷取代相比,表面磷取代会使碳化钨表现出更合适的氢吸附自由能,并且更加有效地降低了氢释放势垒,从而优化了析氢反应动力学.综上,本文为元素掺杂工艺提供了新的思路,同时研究了表面异质原子对析氢活性的关键作用,为该类催化材料的构效关系研究提供了新思路.     

可控表面磷原子修饰提升超细W2C纳米颗粒电解水析氢反应性能

研究高活性和稳定性的非贵金属基析氢催化剂对解决当前能源危机和环境污染问题具有重要意义.碳化钨具有与贵金属Pt类似的d带电子结构,因而成为一类新兴的非贵金属析氢催化剂,受到广泛关注.磷掺杂是提高催化剂析氢活性的有效方法之一,然而目前最常见的构筑磷掺杂方法是使用多金属氧酸盐(POMs,如H3PW12O40),其固定的W/P原子比导致W2C中的掺杂浓度难以调控,并且磷掺杂主要是进入碳载体而不是碳化物本身,从而导致无法明确杂原子对其电催化析氢活性的贡献.本文采用植酸(PA)为磷源设计合成了可控磷掺杂W2C纳米颗粒,并探讨了催化剂组分、杂原子掺杂位置与析氢性能之间的关系.深入研究了磷掺杂碳化钨(WCP)的化学结构和析氢活性.与原始的W2C催化剂相比,WCP具有更高的本征活性、更快的电子转移速率和更多的活性位数量,并且在酸性和碱性条件下均表现出较好的析氢性能.特别是过电位为-200 mV时,WCP催化剂的本征活性在酸性和碱性条件下分别为0.07和0.56 H2 s-1,高出纯W2C(0.01和0.05 H2 S-1)数倍.同时,在电流密度为-10 mA cm-2时,优化后的WCP催化剂在酸性和碱性条件下的析氢过电位分别降低了96和88 mV.XPS及EDS元素分析结果表明,随磷源添加量增加,磷掺杂从碳化钨表面逐渐向内部扩散,进一步说明磷取代位置与析氢活性之间的构效关系,高浓度的表面磷取代可以加速质子捕获过程,从而显著提高其析氢活性,而过量的内部磷取代会破坏W2C结构,降低电子转移速率,从而导致析氢性能下降.利用密度泛函理论计算深入研究了WCP具有较好析氢性能的原因,与内部磷取代相比,表面磷取代会使碳化钨表现出更合适的氢吸附自由能,并且更加有效地降低了氢释放势垒,从而优化了析氢反应动力学.综上,本文为元素掺杂工艺提供了新的思路,同时研究了表面异质原子对析氢活性的关键作用,为该类催化材料的构效关系研究提供了新思路.     

Implanting Ni into N-doped puffed carbon: A new advanced electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Tailored design and synthesis of high-quality electrocatalysts is vital for the advancement of oxygen evolution reaction (OER). Herein, we report a powerful puffing method to fabricate hierarchical porous N-doped carbon with numerous embedded Ni nanoparticles. Interestingly, during the puffing and annealing process, rice precursor with N and Ni sources can be in-situ converted into Ni-embedded N-doped porous carbon (N-PC/Ni) composite. The obtained N-PC/Ni composite possesses a cross-linked porous architecture containing conductive carbon backbone and active Ni nanoparticles electrocatalysts for OER. The pore formation in N-PC/Ni composite is also proposed because of carbothermic reduction. The N-PC/Ni composite is fully studied as electrocatalysts for OER. Due to increased active surface area, enhanced electronic conductivity and reactivity, the designed N-PC/Ni composite exhibits superior OER performance with a low Tafel slope (∼88 mV/dec) and a low overpotential as well as excellent long-term stability in alkaline solution. Our proposed rational design strategy may provide a new way to construct other advanced metal/heteroatom-doped composites for widespread application in electrocatalysis.     

Nb掺杂调控CoSeS多级纳米结构用于增强析氢反应

电催化析氢(HER)是清洁制氢的一种有效途径,对于氢经济和氢能产业的发展具有重要意义.金属掺杂是提高电催化剂本征活性的有效方法,导电基底的采用也有利于电荷传输和催化性能的整体提高.尽管已有关于硒化物作为HER催化剂的相关报道,但是合成条件有限、导电性、本征活性的影响,其电催化性能仍有提升的空间.此外,在酸性电解液中的腐...     

Plasma-modified iron-doped Ni3S2 nanosheet arrays as efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction

The development of efficient transition-metal catalysts for the hydrogen evolution reaction is significant to meeting global energy demands. In this study, to realize a high-performance electrocatalyst, we synthesize an Fe-doped Ni₃S₂ nanosheet material in situ on 3D structured nickel foam via the hydrothermal sulfide method, and then modify it by the dielectric barrier discharge plasma technique. Combining Fe atom doping and plasma modification increases the electrochemical surface area, provides an abundance of active sites, optimizes the electronic structure, and accelerates the reaction kinetics, thereby improving catalytic activity. As a result, the PA@Fe_1/4-Ni₃S₂/NF catalyst exhibits excellent hydrogen evolution reaction activity, only requires ultra-low overpotentials to achieve a current density of 10 mA cm^?2, and exhibits excellent durability. This study proposes a novel method for rationally designing non-noble metal electrocatalysts.     

Novel rGO@Fe3O4 nanostructures: An active electrocatalyst for hydrogen evolution reaction in alkaline media

Because of energy crisis, the hydrogen evolution reaction (HER) limits the feasible utilization of water splitting. Herein, we report reduced graphene-oxide (rGO) with Iron-oxide (Fe₃O₄) nanostructures as highly active electrocatalyst for HER. As-prepared [email protected]₃O₄ shows superior electrochemical responses to those of corresponding its monometallic rGO and Fe₃O₄. The overpotential of [email protected]₃O₄ has been achieved as 300 mV at 10 mA/cm² current density with a Tafel slope of 80 mV/dec. The [email protected]₃O₄ nanostructure has its stability for 24 h to reveal long term electrochemical performance.     

氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷共掺物与 Co3O4之间的协同作用.对于 ORR, Co3O4/NPC的催化效率与商用 Pt/C相近,它们的扩散极限电流密度分别为–4.49和–4.76 mA/cm2(E =–0.80 V).在 ORR过程中, Co3O4起到主要的催化作用.采用计时电流(电流-时间)法评估了催化剂的稳定性.经6 h测定,对于 OER, Co3O4/NPC剩46%电流;而对于 ORR,剩95%电流.整体而言, Co3O4/NPC在 OER和 ORR中都表现出高的催化效率以及良好的稳定性.     

The preparation of ionic liquid based iron phosphate/CNTs composite via microwave radiation for hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction

Water electrolysis is a promising method for hydrogen production, so the preparation of low-cost and efficient electrocatalysts with a quick and simple procedure is crucial. Herein, iron phosphate (Fe₇(PO₄)₆) was prepared via microwave radiation using ionic liquid (IL) as iron and phosphorus dual-source. This method is simple and rapid, and the product can be directly used as electrocatalysts without further treatment. The experimental results show that the IL can influence the morphology and electrocatalytic performance. Moreover, the addition of carbon nanotubes (CNTs) is favorable for formation of iron phosphate nanoparticles to improve the catalytic activities. As hydrogen evolution reaction (HER) catalyst, this iron phosphate/CNTs exhibits an onset overpotential of 120 mV, Tafel slope of 32.9 mV dec^-1, and current densities of 10 mA cm⁻² at overpotential of 185 mV. Then, it obtains a good activity for oxygen evolution reaction (OER) with a low onset potential of 1.48 V, Tafel slope of 73.3 mV dec^-1, and it only needs an overpotential of 300 mV to drive the 10 mA cm⁻². This bifunctional catalyst also shows good durability for HER and OER. This microwave-assisted method provides an outstanding strategy to prepare iron phosphate in a simple and fast process with good catalytic performance for water splitting.     

负载无定型钌纳米簇的原子级钴掺杂一维碳纳米笼增强析氢催化性能

析氢反应是电解水产制氢的关键反应之一.在碱性条件下,由于催化剂表面与反应过程中产生的氧物种、氢物种与催化剂的吸附未处于最佳状态,析氢反应动力学往往比较缓慢,比在酸性条件下慢2-3个数量级.目前,铂基纳米催化剂被认为是最优的析氢催化剂,但因价格昂贵、稳定性较差,限制了其在电解水器件上的大规模应用.因此,设计一种价格较为低...