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Advanced Functional Materials:铜钴基莫特-肖特基电催化剂——高效电催化全分解水

作为一种清洁可再生能源,氢气可以通过热转换或者由电能和光能催化的水分解反应进行制备。其中,电催化分解水被认为是一种高效,环境友好型的制氢技术,具有广阔的应用前景。电催化分解水反应可分为析氢(HER)和析氧(OER)两个半反应。现今,铂(Pt)、钌(Ru)和铱(Ir)等贵金属组成的析氢和析氧催化剂表现出优异的电催化性能,但是因为它们昂贵的价格和稀有性所以难以实现工业化大规模应用。因此,全世界的科研人员对高效稳定的基于价格低廉、储量丰富的过渡金属基电催化剂进行了大量的研究。而研发能在同一体系中同时进行高效的析氢和析氧反应的全分解水电催化剂可以降低材料制备成本,简化反应体系,从而极大地降低生产成本,具有更加广阔的应用前景。

目前,纯金属单质不具备良好的催化析氧性能,而由金属氧化物组成的半导体材料如Co3O4,CuCo2O4等往往受导电性限制不能够进行高效的电催化析氢反应。而已有文献报道由金属和半导体耦合组成的电催化剂如Co/Co3O4、Ni/NiO等表现出优异的电催化性能。所以构筑由金属和半导体材料结合的莫特-肖特基电催化剂可作为一种新的策略来制备高效的全分解水催化剂。此外,由于氮掺杂的碳的优良导电性,构筑氮掺杂的碳/金属/半导体的复合材料可以进一步提高莫特-肖特基电催化剂的性能。


Advanced Functional Materials:铜钴基莫特-肖特基电催化剂——高效电催化全分解水

 

近日,大连理工大学精细化工国家重点实验室的侯军刚教授、孙立成教授开发了一种高效稳定的铜钴基莫特-肖特基电催化剂。通过氢化和氮掺杂的碳层包覆构筑了由氮掺杂碳(NC),铜钴合金(CuCo)和缺陷态铜钴半导体(CuCoOx)复合形成的核壳纳米线阵列进行高效的全分解水反应。该NC/CuCo/CuCoOx核壳阵列在1M KOH溶液中均表现出了优异的电催化析氧和析氢性能,仅需要190 mV过电势达到10 mA cm-2的析氧电流以及112 mV过电势达到10 mA cm-2的析氢电流。更重要的是,将这种复合体阵列电极分别作为阳极和阴极进行全分解水反应时,仅需1.53V的电压便能够达到10 mA cm-2的电流密度并能在高电流密度下稳定工作100小时。其电催化性能和稳定性均远优于Pt/C-IrO2组成的贵金属全分解水电极体系。这种核壳阵列的优异性能归因于(1)三维等级孔阵列能够提供更大的电化学活性面积,大量的活性位点以及快速的气体释放;(2)通过在缺陷态CuCoOx纳米线上原位生成CuCo纳米合金构筑金属-半导体组成的莫特-肖特基电催化剂,极大提高了导电性以及加快了电荷传输特性;(3)氮掺杂的碳促进了反应中间体的吸附,并通过重新分布电子密度结构为半导体,金属和碳层间的电子传递构筑了快速通道。

相关论文在线发表在期刊Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201704447)。



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