多孔氮掺杂碳纳米纤维负载纳米化过渡金属磷化物的可控制备及其在电催化析氢中的应用研究

氢气燃料作为一种高效的清洁能源，极有可能成为不可再生的化石燃料代替品。电解水析氢是一种可持续的有效方法，但其效率的提高需要高效的电催化剂。目前贵金属铂具有最高的交换电流密度和Tafel斜率，可用作常规的析氢反应催化剂，但其高昂的价格限制了在电化学方面的应用。在过去的几十年里，科研工作者在开发非贵金属HER催化剂方面做出了大量的工作。过渡金属磷化物是继过渡金属碳化物和过渡金属氮化物之后出现的一类新型的催化材料，具有与前两者相似的物理性能以及更加优异的催化活性和选择性，成为催化材料领域研究的新热点，被誉为“准铂催化剂”。然而传统的制备方法诸如低温磷化、液相水热等制备的磷化物尺寸较大，催化位点仅位于催化剂表面，故其活性位点利用率低，并且制备的磷化物单独组分导电性较差。因此，如何更高效地利用过渡金属磷化物繁冗活性位点以达到其催化剂利用率最大化；如何更好地提高磷化物的导电性；如何使其催化稳定性进一步提高等问题成为目前限制其工业化应用的几大难题。

为了解决上述难题，西南大学的包淑娟教授（点击查看介绍）和徐茂文教授（点击查看介绍）团队使用简单的静电纺丝方法，首先将过渡金属阳离子(铁、钴、镍、铜离子)和磷酸根离子固定于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纳米纤维中，然后经过氢气氛围控制还原的方法，制备得到一系列多孔氮掺杂碳纳米纤维支撑的磷化物纳米颗粒复合纳米材料。该方法以过渡金属阳离子为金属元素源，以磷酸根为磷源，可通过原位氢气还原得到磷化物。由于还原过程中PVP热解残留了大量的孔结构，这种孔结构既限制了高温下磷化物的团聚，又为后续催化应用中离子的传递提供了通道。而氮掺杂碳纳米纤维又扮演着电子传输的桥梁，他们将得到的Ni₂P@NPCNFs复合材料应用于析氢反应中，在pH = 0-14之间均表现出极其优越的催化性能，且稳定性得到大幅度的提高。该方法制备的磷化物复合材料有望在绿色能源存贮与转化中得到极其广泛的应用。

相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，论文的第一作者为西南大学的博士生王敏强和叶萃，通讯作者为西南大学包淑娟教授。

该论文作者为：Min-Qiang Wang, Cui Ye, Heng Liu, Maowen Xu and Shu-Juan Bao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nanosized Metal Phosphides Embedded in Nitrogen‐Doped Porous Carbon Nanofibers for Enhanced Hydrogen Evolution at All pH Values

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1963, DOI: 10.1002/anie.201710150

包淑娟教授课题组简介

包淑娟教授现任职西南大学材料与能源学部教授，博士生导师，新加坡南洋理工大学博士后、“电化学之父”美国德州大学Allen Bard课题组访问学者，入选第四批重庆市高等学校优秀人才支持计划。该课题组有博士、硕士及留学生等共10余人，主要从事侧重于新材料的设计合成与应用电化学，主要研究方向：（1）新材料的可控合成与界面催化（电池、电催化、光催化、水分解）；（2）特定结构功能材料的构筑及新型生物传感器件的研发；先后在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、Chemistry of Materials、Small 等学术刊物上发表SCI论文120余篇，论文他引3500余次，H-index = 34；主持国家自然基金2项，省部级以上课题9项，申报专利15项。

包淑娟

http://www.x-mol.com/university/faculty/31086

徐茂文

http://www.x-mol.com/university/faculty/49641