Advanced Energy Materials: 少层黑磷纳米片—可控而稳定的析氧催化剂

【引言】

析氧反应(OER)在能源转换以及水解反应等过程中扮演着重要的角色。近日，黑磷作为一种类石墨烯半导体材料，其展现出良好的电化学性能。根据相关文献报道，块状黑磷具有与传统OER电极材料如IrO₂、RuO₂以及Co-Fe-Mn化合物等相互比拟的性能参数。与一般半导体材料不同的是，黑磷兼具极高的载流子迁移率以及可观的催化活性，因此被人们认为是极具实际应用价值的催化材料之一。不仅如此，对于层状半导体性的范德华层状材料，减小材料的厚度不仅能够有效提高材料的电输运性能，还可以显著增加活性位点的数目并提高材料的OER性能。因此，为了进一步的探索开发黑磷在OER领域的应用潜力，研究少层黑磷纳米片在碱性条件下的电化学性能具有重要的科学意义。

【成果简介】

近日，湘潭大学钟建新教授团队的祁祥副教授课题组和深圳市黑磷光电技术工程实验室主任深圳大学张晗教授课题组近期在Advanced Energy Materials上发表了题为“Few-layer Black Phosphorus Nanosheets as electrocatalysts for highly efficient Oxygen Evolution Reaction”的文章。两个研究团队携手湖南大学王双印教授课题组研究了少层黑磷纳米片在不同浓度的KOH碱性溶液中的OER性能。研究发现，在1 M的KOH溶液中，少层黑磷纳米片的析氧电位为1.45V，Tafel斜率为88 mV/dec。同时，该工作还根据黑磷纳米片电化学性能和KOH浓度的关系，给出了一般条件下的黑磷纳米片电化学性能预测公式。通过进一步选择性离心的方法，得到不同厚度分布的黑磷纳米片并研究了不同离心速度下的黑磷纳米片OER性能。实验结果表明，高速离心能够得到更薄的黑磷纳米片和更佳的OER性能（在2000 rmp的离心速度下，黑磷纳米片的Tafel斜率为75 mV/dec）。该工作不仅研究了少层黑磷在不同浓度KOH溶液中的OER性能，还表明减小纳米片的厚度能够有利于OER的进行。该工作得到湖南大学王双印教授的支持，主要由湘潭大学硕士生任晓辉、周洁与深圳大学李中俊博士合作完成。该研究得到了深圳市黑磷光电技术工程实验室，“微纳能源材料与器件物理”教育部创新团队项目，国家自然科学基金重大及重点项目，深圳市重点科技项目等多项基金的支持。

【图文导读】

图1：二维黑磷纳米片的制备示意图以及电极形貌和纳米片结构表征

(a) 液相剥离制备少层黑磷纳米片的流程示意图；

(b-c) 少层黑磷纳米片电极SEM性能图；

(d-e) TEM以及高分辨TEM；

(f) 块状黑磷和少层黑磷纳米片的拉曼光谱分析；

(g) 二维黑磷纳米片的AFM测试。

图2：少层黑磷纳米片在不同KOH浓度下的性能研究

测试黑磷纳米片不同浓度KOH电解液(1 M, 0.2 M，0.1 M，0.05M)中光探测性能：

(a) 线性伏安特性曲线以及塔菲尔斜率；

(b) 塔菲尔斜率值，1.6 V偏压下电流大小以及产生0.1 mA/cm²电流所需电压大小随OH-浓度的变化曲线。

图3：黑磷纳米片在不同浓度KOH溶液中的稳定性

二维黑磷纳米片在不同KOH浓度(1 M, 0.2 M，0.1 M，0.05M)中的稳定性测试：

(a) 长时间稳定性测试；

(b) 长时间CV循环稳定性测试。

图4：离心法获取不同厚度分布的少层黑磷纳米片的OER性能分析

(a) 选择性离心获取不同厚度分布的二维黑磷纳米片方法示意图；

(b) 不同离心转速区间获取的黑磷纳米片的线性扫描伏安曲线；

(c) 少层黑磷纳米片在1.8 V偏压下的电流大小和离心速度的变化曲线。

【小结】

该工作研究了少层黑磷纳米片在不同电解液浓度以及离心速度下的OER性能。通过一系列表征测试与电化学测试，结果发现少层黑磷的性能在块状黑磷的基础上有了进一步的提高。通过选择性离心的方法获取不同层数分布的黑磷纳米片，从而确认黑磷OER性能的提升来源于厚度的减少，为后续研究黑磷纳米片以及二维材料析氧反应相关的工作提供实验基础。

文章链接： Few-Layer Black Phosphorus Nanosheets as Electrocatalysts for Highly Efficient Oxygen Evolution Reaction (Adv. Energy Mater. 2017, .DOI: 10.1002/aenm.201700396.)

【研究团队介绍】

祁祥，湘潭大学首批“青年拔尖人才计划”优秀人才，现为湖南省物理学会理事，“微纳能源材料与器件物理”教育部创新团队、“微纳能源材料与器件”湖南省重点实验室、“物理学”湖南省重点学科等科研平台的主要核心成员，担任ACS Nano、Appl. Phys. Lett.等30余个国际知名期刊的审稿专家。主要从事类石墨烯二维材料的可控制备、表征和性能方面的研究；主持完成国家自然科学基金、中国博士后科学基金、湖南省自然科学基金等项目7项；参与完成湖南省自然科学奖二等奖1项（排名第二）。以第一作者或通讯作者在Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials, Journal of Materials Chemistry, Applied Physical Letters, Scientific Reports, The Journal of Physical Chemistry C等SCI刊物上发表学术论文40余篇。累计被Nature Materials, Reports on Progress in Physics, Physics Reports等刊物引用2000余次，h因子25。

张晗，深圳市黑磷光电技术工程实验室主任、深圳大学特聘教授、博士生导师，首届国家优秀青年科学基金获得者、中组部青年千人计划获得者、教育部新世纪优秀人才获得者、深圳市孔雀创新团队负责人、深圳市政协委员等。主要从事光纤激光器、非线性光学、石墨烯、黑磷等领域的工作，在Nature Photonics, Nature Communications, PRL, Advanced Materials, Advanced Science, Advanced Functional Materials, Optics Expression, Angewandte Chemie, Nanoscale, Small, Optics Letter等国际著名期刊上累计发表SCI文章200余篇，其中SCI总引用次数超过8000，H因子为42。担任Photonics Research副主编及Scientific Reports期刊编委。主持基金委国家重点项目、深圳市孔雀创新团队等项目13项。近几年在深圳大学-新加坡国立大学光电科技协同创新中心范滇元院士的领导下，课题组在Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Advanced Functional Materials、ACS Photonics等期刊上共发表30多篇高水平论文；两篇论文分别被评为2014和2015年“中国百篇最具影响国际学术论文”；两篇论文入选Optics Express创刊20年百篇引用最高论文，两篇论文入选2015年物理领域中国作者发表的高被引研究论文Top 10。

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