双金属磷化物：非pH依赖的高效析氢催化剂

随着世界经济的发展和人口数量的增长，人类社会对能源的需求已达到前所未有的程度。化石燃料是目前世界能源体系的主要构成部分，然而其储量有限且再生周期极长。化石燃料的大量使用已导致严重的全球性环境问题，如大气污染、雾霾、酸雨等。因此，人们迫切需要寻找一种环境友好、来源广泛、再生周期短的能源来取代现有的能源体系。氢能正是这样一种理想的备选方案。通过水的电解来制备氢气是一个美好的愿景，从而实现依赖于高效电催化剂的研究。

众所周知，电化学水分解是一个异相电子传递过程，析氢反应是该过程的一个重要分支。电子在电极/溶液界面的传递效率和氢原子在电极表面的吸附自由能决定了材料析氢能力的优劣。迄今为止，Pt基材料是最有效的析氢催化剂，然而其市场价格昂贵且地壳含量极低，在全球规模的应用需求面前仍旧有限。因此，开发造价低廉、易于获得且析氢能力堪媲美Pt的催化剂日益受到人们的重视和期待。此外，鉴于电解水方案的多样性，如基于质子交换膜的电解槽需要在酸性条件下进行，而基于氢氧根离子交换膜的电解槽需要在碱性条件下进行，开发一种能够在多种条件下对析氢反应都具有良好催化能力的催化剂不仅可以为电解水厂提供更多的技术路线选择，而且能够扩大催化剂的制备规模、降低生产成本、提高市场竞争力。然而目前报道的析氢催化剂大多只能在单一条件下发挥其性能，这给我们提出了更高的要求，也提供了很好的创新空间。

在催化析氢方面，金属磷化物展现出无与伦比的优势，通过材料结构调控可以将此优势继续扩展。华北电力大学的王祥科教授（点击查看介绍）团队、天津大学的胡文平教授（点击查看介绍）和国家纳米科学中心的孙向南研究员（点击查看介绍）合作，在碳纤维上制备了一种双金属磷化物（NiCo₂P_x）纳米线阵列，该阵列在碱性、中性和酸性条件下都展示出良好的催化析氢能力（在电流密度为10 mA•cm^-2 时的过电位分别为58 mV、63 mV和104 mV），其优良的本征催化活性和极高的集成度使它们在单位面积上的催化能力堪比甚至超过商业Pt电极。通过性能测试、结构和形貌表征发现NiCo₂P_x纳米线阵列具有优异的稳定性，这使得它们在电解水工业中拥有极其重要的应用潜力。

图1. NiCo₂P_x纳米线阵列示意图及其催化析氢性能

此外，研究认为NiCo₂P_x的本征催化活性来源于其表面催化位点间的协同效应，Ni和Co对水分子分解和H₂分子亲和力的差异使得它们能够充分发挥其在不同催化阶段的优越性，从而有效加速反应的进行。该设计理念可推广应用于其它催化剂的设计实践中。

图2. NiCo₂P_x在碱性体系中催化析氢的协同效应示意图

这一由华北电力大学、中科院化学研究所和国家纳米科学中心联合研究的成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是博士研究生张瑞。

该论文作者为：Rui Zhang, Xiangxue Wang, Shujun Yu, Tao Wen, Xiangwei Zhu, Fangxu Yang, Xiangnan Sun, Xiangke Wang, and Wenping Hu

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）：

Ternary NiCo₂P_x Nanowires as pH-Universal Electrocatalysts for Highly-Efficient Hydrogen Evolution Reaction

Adv.Mater., 2017, 29, 1605502, DOI: 10.1002/adma.201605502

导师介绍

王祥科

http://www.x-mol.com/university/faculty/24317

胡文平

http://www.x-mol.com/university/faculty/26829

孙向南

http://www.x-mol.com/university/faculty/39481

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