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高效雙功能電催化劑用于光電化學(xué)分解水

來源: X-MOL 2017-08-09 11:21:33

光電催化分解水析氫有望成為一種可持續(xù)的利用太陽(yáng)能制備清潔能源的重要方法。在太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率不斷取得突破性進(jìn)展的指導(dǎo)下，電催化劑的性質(zhì)成為影響光電催化分解水的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的重要因素，其中陽(yáng)極上的析氧反應(yīng)對(duì)實(shí)現(xiàn)全水分解更為重要。開發(fā)高催化活性﹑高穩(wěn)定性﹑廉價(jià)的雙功能催化劑取代貴金屬鉑和釕等成為研究工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。近日，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院的王志明（點(diǎn)擊查看介紹）團(tuán)隊(duì)﹑休斯頓大學(xué)的包吉明（點(diǎn)擊查看介紹）團(tuán)隊(duì)和萊斯大學(xué)的Kenton H. Whitmire（點(diǎn)擊查看介紹）團(tuán)隊(duì)合作，通過化學(xué)氣相沉積法，利用單一的前驅(qū)體制備了一種高性能的雙功能電催化劑，并將該催化劑整合到光陽(yáng)極半導(dǎo)體材料上，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的析氧反應(yīng)。

過渡金屬磷化物具有非常高的電解水催化活性，但目前的制備方法涉及非常危險(xiǎn)的磷化反應(yīng)過程，不利于制備高效的光電極用于水分解。已有文獻(xiàn)報(bào)道的過渡金屬磷化物能與P型半導(dǎo)體材料結(jié)合，用于光陰極電催化分解水制氫，但少有文獻(xiàn)報(bào)道將過渡金屬磷化物用于光陽(yáng)極電催化分解水制氧。

該合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制備了一種同時(shí)含有鐵﹑錳﹑磷元素的單一前驅(qū)體。該前驅(qū)體在較低的溫度下（200 ℃）即可氣化，在350 ℃ 條件下即可分解成三元的FeMnP磷化物。利用這一特點(diǎn)，他們通過化學(xué)氣相沉積法，將FeMnP成功沉積到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯包覆的泡沫鎳上。這一材料在酸性和堿性體系中均具有極高的析氫活性，進(jìn)一步的理論計(jì)算也證實(shí)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果。FeMnP同時(shí)還具有較高的氧析出活性。鑒于此，他們將該材料同時(shí)用作陽(yáng)極和陰極實(shí)現(xiàn)全水分解，在堿性體系中電流密度為10 mA/cm2的電壓只需1.55 V。

得益于這種獨(dú)特的過渡金屬磷化物的制備方法，該合作團(tuán)隊(duì)成功將具有高電催化活性的FeMnP沉積到具有三維結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米棒陣列上，形成二氧化鈦/FeMnP核殼結(jié)構(gòu)，用于光電化學(xué)陽(yáng)極析氧反應(yīng)。該核殼結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極在100 mW/cm2模擬太陽(yáng)光的照射下，光電流密度能達(dá)到二氧化鈦的理論光電流密度（1.8 mA/cm2）。上述研究成果表明，該電催化劑有望應(yīng)用于光電化學(xué)的全水分解，從而促進(jìn)太陽(yáng)能的有效利用。

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