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高效双功能电催化剂用于光电化学分解水

光电催化分解水析氢有望成为一种可持续的利用太阳能制备清洁能源的重要方法。在太阳能电池光电转化效率不断取得突破性进展的指导下,电催化剂的性质成为影响光电催化分解水的太阳能转化效率的重要因素,其中阳极上的析氧反应对实现全水分解更为重要。开发高催化活性﹑高稳定性﹑廉价的双功能催化剂取代贵金属铂和钌等成为研究工作者关注的焦点。近日,电子科技大学基础与前沿研究院王志明点击查看介绍团队﹑休斯顿大学包吉明点击查看介绍团队和莱斯大学Kenton H. Whitmire点击查看介绍团队合作,通过化学气相沉积法,利用单一的前驱体制备了一种高性能的双功能电催化剂,并将该催化剂整合到光阳极半导体材料上,实现了太阳光驱动的析氧反应


过渡金属磷化物具有非常高的电解水催化活性,但目前的制备方法涉及非常危险的磷化反应过程,不利于制备高效的光电极用于水分解。已有文献报道的过渡金属磷化物能与P型半导体材料结合,用于光阴极电催化分解水制氢,但少有文献报道将过渡金属磷化物用于光阳极电催化分解水制氧。


该合作团队设计和制备了一种同时含有铁﹑锰﹑磷元素的单一前驱体。该前驱体在较低的温度下(200 ℃)即可气化,在350 ℃ 条件下即可分解成三元的FeMnP磷化物。利用这一特点,他们通过化学气相沉积法,将FeMnP成功沉积到三维网络结构的石墨烯包覆的泡沫镍上。这一材料在酸性和碱性体系中均具有极高的析氢活性,进一步的理论计算也证实这一实验结果。FeMnP同时还具有较高的氧析出活性。鉴于此,他们将该材料同时用作阳极和阴极实现全水分解,在碱性体系中电流密度为10 mA/cm2的电压只需1.55 V。


得益于这种独特的过渡金属磷化物的制备方法,该合作团队成功将具有高电催化活性的FeMnP沉积到具有三维结构的二氧化钛纳米棒阵列上,形成二氧化钛/FeMnP核壳结构,用于光电化学阳极析氧反应。该核壳结构的光阳极在100 mW/cm2模拟太阳光的照射下,光电流密度能达到二氧化钛的理论光电流密度(1.8 mA/cm2)。上述研究成果表明,该电催化剂有望应用于光电化学的全水分解,从而促进太阳能的有效利用。


上述成果近期发表在Nano Energy ACS Nano 上,电子科技大学的赵振环博士和莱斯大学的博士生Desmond E. Schipper为该工作的共同第一作者。


1. 该论文作者为:Zhenhuan Zhao, Desmond E. Schipper, Andrew P. Leitner, Hari Thirumalai, Jing-Han Chen, Lixin Xie, Fan Qin, Md Kamrul Alam, Lars C. Grabow, Shuo Chen, Dezhi Wang, Zhifeng Ren, Zhiming Wang, Kenton H. Whitmire, Jiming 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):

Bifunctional Metal Phosphide FeMnP Films from Single Source Metal Organic Chemical Vapor Deposition for Efficient Overall Water Splitting

Nano Energy, 2017, 39, 444, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.07.027


2. 该论文作者为:Desmond E. Schipper, Zhenhuan Zhao, Andrew P. Leitner, Lixin Xie, Fan Qin, Md Kamrul Alam, Shuo Chen, Dezhi Wang, Zhifeng Ren, Zhiming Wang, Jiming Bao and Kenton H. Whitmire

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):

A TiO2/FeMnP Core/Shell Nanorod Array Photoanode for Efficient Photoelectrochemical Oxygen Evolution

ACS Nano, 2017, 11, 4051, DOI: 10.1021/acsnano.7b00704


导师介绍

王志明

http://www.x-mol.com/university/faculty/44745

包吉明

http://www.x-mol.com/university/faculty/44746

Kenton H. Whitmire

http://www.x-mol.com/university/faculty/1550


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