苏州大学黄小青Nano Energy：钴钼纳米片阵列作为高效且稳定的电极催化剂，用于整体水分解

【引言】

广泛认为析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的水分解是一种有效和可持续的从水中产生清洁和无污染的氢燃料的方法。目前，最有效的OER和HER催化剂分别为Ir / Ru基氧化物和Pt。然而，价格过高和严重稀缺阻碍了其大规模利用和实际应用。为了克服这些缺点，设计具有成本效益的用于水分解的地球上丰富的催化剂是非常必要的。最近的努力主要集中在过渡金属基电催化剂，由于原料丰富且多样性，潜在的稳定性和理论上的高催化活性。尽管取得了许多进展，但是实现高效的高性价比的电催化剂还是远远不够的。本质上，可以通过以下策略改善整体水分解的电化学性能：在三维（3D）多孔和导电基底上原位生长2D活性材料；形成双金属和双金属氧化物催化剂；硫化和磷化。因此，结合上述策略，开发出高效稳定的整体分水催化剂是非常理想的，但仍是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，在苏州大学黄小青（通讯作者）课题组的带领下，首次设计了二维Mo掺杂的CoO纳米片（NSs）修饰的三维多孔导电纳米颗粒作为高效富含大量的催化剂，用于整体水分解。通过优化Co₅Mo_1.0O NSs @ NF电极实现了高效低成本的OER催化剂，该电极在10和100mAcm^-2的1.0M KOH中显示出优异的OER活性，270和330mV的低过电势，甚至优于许多报道催化剂。值得注意的是，Co₅Mo_1.0O NSs @ NF电极在10mAcm^-2的电流密度下可以保持140 h的长期稳定性且没有任何明显的形态变化。磷酸盐化后的电催化剂制备用于HER，其中Co₅Mo_1.0P NSs@NF电极表现出优异的HER活性，173mV的低过电位，在0.5MH₂SO₄中达到10mAcm^-2。此外，经过优化的Co₅Mo_1.0O NSs@NF和Co₅Mo_1.0P NSs@NF电极在电流密度分别为10和100mA cm^-2，1.0M KOH中仅有1.68V和1.89V的电压，并且在高电势下比基准Ir/C∥Pt/C更高的电流密度。这种电极在10mAcm^-2超过30小时时也表现出优异的耐久性，没有显著的活性衰减。相关成果以题为“Cobalt-Molybdenum Nanosheet Arrays as Highly Efficient and Stable Earth-Abundant Electrocatalysts for Overall Water Splitting”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1. CoMoO NSs@NF和CoMoP NSs@NF的合成路线的示意图以及Co-Mo基纳米片阵列作为OER和HER催化剂用于整体水分解。

图2.Co₅Mo_1.0O NSs@NF的物理性能表征

（a,b）Co₅Mo₀ONSs@NF的SEM图像。（a）中的插图是低分辨率的SEM图像，（b）中的插图是Co₅Mo_1.0ONSs@NF的放大的SEM图像；

（c）划掉NF的Co₅Mo_1.0O NSs的EDS光谱；

（d）划掉NF的Co₅Mo_1.0O NSs的XRD； 

（e）划掉NF的Co₅Mo_1.0O NSs的元素映射图像，黄色、蓝色、红色分别为，Co、Mo、O元素。

图3.Co₅Mo_1.0P NSs@NF的物理性能表征

（a,b）Co₅Mo₀P NSs@NF的SEM图像；

（c）Co₅Mo_1.0P NSs的元素分布图像，黄色、蓝色、红色分别为，Co、Mo、P元素；

（d）Co₅Mo_1.0P NSs@NF的Co 2p，Mo 3d和P 2p的XPS谱。

图4.Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的电化学性能表征

（a）在1.0M KOH，扫描速率为10mVs^-1时Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的极化曲线；

（b）在1.0M KOH，扫描速率为10mVs^-1，电流密度J=10 mAcm^-2和100 mAcm^-2下，Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的过电势；

（c）在1.0M KOH，扫描速率为10mVs^-1，η=330mV时的Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的电流密度；

（d）在1.0M KOH，扫描速率为10mVs^-1，Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的Tafel图； 

（e）在10mA cm^-2下，Co₅Mo_1.0O NSs@NF催化剂的OER的计时电位滴定测量， 插图显示了OER稳定性测试后Co₅Mo_1.0O NSs @ NF的SEM图像；

（f）Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF和NF的电容J与扫描速率。

图5.Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的OER性能表征

（a）Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的Co 2p XPS谱图；

（b）Co₅Mo_1.2O NSs@NF, Co₅Mo_1.0O NSs@NF, Co₅Mo_0.8O NSs@NF的Co²⁺/Co³⁺摩尔比和在1.54 V（vs. RHE）电压下的电流密度。

图6.Co₅Mo_1.2P NSs@NF, Co₅Mo_1.0P NSs@NF, Co₅Mo_0.8P NSs@NF

（a）在0.5M H₂SO₄，扫描速率为10mVs^-1时Co₅Mo_1.2P NSs@NF, Co₅Mo_1.0P NSs@NF, Co₅Mo_0.8P NSs@NF的极化曲线；

（b）在0.5M H₂SO₄，扫描速率为10mVs^-1，电流密度J=10mAcm^-2时Co₅Mo_1.2P NSs@NF, Co₅Mo_1.0P NSs@NF, Co₅Mo_0.8P NSs@NF的过电势；

（c）在0.5M H₂SO₄，扫描速率为10mVs^-1时Co₅Mo_1.2P NSs@NF, Co₅Mo_1.0P NSs@NF, Co₅Mo_0.8P NSs@NF，NF和Pt/ C的Tafel图；

（d）1000个CV循环之前和之后的Co₅Mo_1.0P NSs @ NF的LSV曲线。 插图显示了Co₅Mo_1.0P NSs @ NF催化剂在电流密度J=10mA cm^-2时的HER的计时电位滴定测量。

图7.全电池装置电化学性能测试

（a）Co₅Mo_1.0O NSs@NF和Co₅Mo_1.0P NSs@NF电极装成整体水分解装置的图像； 

（b）不同电压下的Co₅Mo_1.0O NSs@NF//Co₅Mo_1.0P NSs@NF，NF//NF和Ir/C(+)∥Pt/C(-)在1.0 M KOH中进行整体水分解的稳态极化曲线；

（c）不同电压下的Co₅Mo_1.0O NSs@NF//Co₅Mo_1.0P NSs@NF，NF//NF和Ir/C(+)∥Pt/C(-)在1.0 M KOH中进行整体水分解的电流密度；

（d）在恒定电流密度10mA cm^-2下，双电极结构Co₅Mo_1.0O NSs@NF/ Co₅Mo_1.0P NSs@NF的水分解计时电位曲线。

【小结】

团队首次成功地构建了一类新型的Co₅Mo_1.0O NSs @ NF和Co₅Mo_1.0P NSs @ NF分别作为OER和HER电催化剂。优化的Co₅Mo_1.0O NSs @ NF电极在碱性溶液中表现出对OER的高活性和耐久性。值得注意的是，Co₅Mo_1.0O NSs @ NF电极在10 mA cm^-2的电流密度下也可以表现出优异的长期稳定性，在OER稳定性测试后没有明显的形态变化。磷化后，Co₅Mo_1.0P NSs @ NF电极在酸性溶液中表现出极好的HER活性和低过电势。此外，优化的Co₅Mo_1.0O NSs @ NF和Co₅Mo_1.0P NSs @ NF表现出优异的整体水分解活性，电流密度比基准Ir/C//Pt/C高得多。目前的工作提出了一个独特而又丰富的水分解材料体系，具有广阔的应用前景。

文献链接：Cobalt-Molybdenum Nanosheet Arrays as Highly Efficient and Stable Earth-Abundant Electrocatalysts for Overall Water Splitting（Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.01.022 ）

本文由材料人编辑部学术组木文韬供稿，材料牛整理编辑。

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