近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所王奇課題組探究了元素摻雜對過(guò)渡金屬基納米復合材料在電催化水分解應用中的影響。相關(guān)研究成果在國際知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上發(fā)表。

該研究通過(guò)水熱、磷化和低溫等離子體三步合成方法，成功制備了用于析氫和析氧的雙功能鐵、氮共摻雜CoFeP-N納米線(xiàn)。鐵原子的摻雜可以與鈷原子形成協(xié)同效應，改變電催化劑的電子結構，增強其本征活性，獲得優(yōu)于單一金屬磷化物的HER和OER活性。等離子體處理引入氮元素以提高催化劑的導電性，并向電極材料提供額外的電子，從而提高電極的電子轉移速率。此外，CoP3和FeP2之間形成的非均相界面可以作為活性反應中心，對提高HER和OER的性能起著(zhù)重要作用。

XPS分析顯示，與CoP相比, CoFeP 的Co 2p_3/2和Co 2p_1/2軌道正移了0.76 eV，CoFeP的P 2p_3/2和2p_1/2軌道相比CoP負移了0.35 eV，Fe的引入可以改變原始CoP的電子結構，并可以有效提高電催化活性。理論計算表明，鐵原子的引入顯著(zhù)增加了費米能級電子分布的概率。鐵原子的摻雜可以誘導與鈷原子的協(xié)同效應，改變電催化劑的電子結構，增強其本征活性，獲得優(yōu)于單一金屬磷化物的HER和OER活性。此外，相比于未經(jīng)過(guò)等離子體處理的材料CoFeP, 通過(guò)等離子體處理的CoFeP-N材料的Co 2p_3/2和2p_1/2軌道負移了0.65 eV，Fe 2p_3/2和2p_1/2負移了2.09 eV，P 2p_3/2和2p_1/2軌道負移了0.10 eV。這一現象表明，經(jīng)過(guò)氮等離子體的處理，在等離子體放電過(guò)程中產(chǎn)生的許多自由電子被樣品捕獲，從而使Co、Fe、P獲得了電子。等離子體摻雜的氮原子提供了額外的電子，有利于提高材料的導電性。與純FeP相比，CoFeP中的P 2p_3/2和P 2p_1/2的峰表現出正偏移，而與純CoP相比，它們表現出負偏移。結合能的變化表明，CoFeP中CoP₂和FeP₂之間界面的強相互作用導致電荷再分配，這可以大大提高電催化活性。CoP₃和FeP₂之間形成的異質(zhì)界面可以作為反應活性中心，對提高HER和OER的性能起著(zhù)重要作用。

電化學(xué)HER和OER測試表明，CoFeP-N納米線(xiàn)具有優(yōu)異的電催化水分解活性。以1 M KOH水溶液為電解液，在HER和OER反應中，CoFeP-N分別僅需要64 mV和219 mV就可以達到10 mA cm^-2的電流密度，以及80.02 mV dec^-1和56.08 mV dec^-1的低Tafel斜率，并且表現出優(yōu)異的循環(huán)穩定性。此外，使用CoFeP-N納米線(xiàn)同時(shí)作為陰極和陽(yáng)極組裝而成的雙電極水電解系統分別在1.516 V和1.636 V的低電壓下便可提供10 mA cm^-2和100 mA cm^-2的電流密度，遠超商業(yè)Pt/C||RuO₂電解池，同時(shí)也表現出優(yōu)異的長(cháng)期穩定性。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124027

CoFeP-N納米線(xiàn)高效電催化水分解示意圖

理論計算闡述CoFeP-N納米線(xiàn)高效電催化水分解機理

CoFeP-N納米線(xiàn)電催化水分解催化活性和循環(huán)穩定性性能圖