非贵金属双功能电催化剂：水电解的理想选择，但高效 OER 和 HER 性能仍具挑战

非贵金属双功能电催化剂：水电解的理想选择，但高效 OER 和 HER 性能仍具挑战

【摘要】：在全球气候变暖与能源危机的背景下，发展安全、绿色、可持续的能源技术刻不容缓，水电解制氢是解决上述问题最有效的途径之一。然而由于水电解的特性，其需要高效的贵金属催化剂才能实现，如用于析氢反应（HER）的铂基催化剂，用于析氧反应（OER）的二氧化钌和二氧化铱催化剂。考虑到这些贵金属的高价格和稀缺性，开发高效稳定的非贵金属催化剂引起了广泛的研究兴趣。设计制备对HER和OER反应均高效且廉价的双功能电催化剂是实现水电解应用的关键。非贵金属双功能电催化剂是水电解的理想催化剂。然而，在同一环境下使用单一催化剂同时获得高效的OER和HER性能仍然是一个挑战。本文开发了一种简单的新材料制备策略，以金属有机骨架（MOF）为前驱体，将二维（2D）/零维（0D）CoP集成到同一MOF衍生的中空氮掺杂碳纳米管组装多面体中。独特的2D结构赋予合成的纳米复合材料更多的活性位点和更大的活性表面积；而中空的内部结构更有利于电荷和物质的转移。不同形式的磷化钴和氮掺杂碳纳米管的协同作用可以增强电子传输能力，具有较高的活性位点密度和良好的导电性。因此，CoP/HNCNP@2D可作为高效的水电解双功能催化剂，表现出良好的OER和HER活性，在1.0 M KOH中10 mA cm~（-2）电流密度下，OER的过电位仅为220 mV，HER的过电位仅为173 mV。以Co P/HNCNP@2D Co P为阳极和阴极催化剂构建的水电解装置具有良好的活性，仅需1.59 V的过电位即可达到10 mA cm~(-2)的催化电流密度。该研究工作通过简单的制备方法整合了不同维度的同种金属磷化物，不仅制备出了一种具有应用前景的低成本高效水电解催化剂，而且为分级纳米材料的设计合成和MOF衍生材料在电催化领域的应用探索提供了新的参考和借鉴，从而应用于各种先进的能源转换领域。