云南大学胡广志Carbon Energy：稀土掺杂双金属磷化物实现高效光伏分解水制氢

A high-performance transition-metal phosphide electrocatalyst for converting solar energy into hydrogen at 19.6% STH efficiency

Hua Zhang, Abuduwayiti Aierke, Yingtang Zhou, Zitao Ni, Ligang Feng*, Anran Chen*, Thomas Wågberg, Guangzhi Hu*

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.217

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研究背景

化石燃料由于能量密度高及易燃的特点，一直是全球主要的能源载体，并且在全球工业和技术发展中发挥了关键作用，例如煤炭、石油、天然气等化石能源。尽管煤炭和天然气在可预见的未来可以继续满足世界能源需求，但过度使用化石燃料加剧了环境污染和全球变暖。因此，开发一种清洁的、无污染以及可再生的化石燃料替代品是当务之急。氢能具有高的质量能量密度，并且其燃烧后的产物无污染且安全环保，因此被认为是一种有前途的能缓解能源危机并可持续的清洁能源。使用可再生能源（如太阳能和风能）电解水产氢为大规模制氢提供了一种有力途径。贵金属（Pt）和贵金属氧化物（例如IrO₂和RuO₂）分别被认为是析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的基准催化剂。然而，贵金属基催化剂由于其昂贵的价格以及地球储量的稀缺性，极大的限制了它们的大规模应用。因此，开发储量丰富、成本低廉且高效稳定的非贵金属双功能电催化剂是实现电解水制氢工业化大规模生产的有效途径。

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研究成果

云南大学胡广志课题组通过合理设计一种在导电镍泡沫上原位生长的铒掺杂镍钴双金属磷化物纳米线阵列（Er-NiCoP/NF），实现了催化剂的电子结构和形貌工程调控，最大限度提高了电催化分解水性能。原位构建的Er-NiCoP/NF电极显示出优异的双功能催化活性，仅需要46 mV和225 mV的过电位就可以使HER和OER的电流密度达到10 mA cm^-2。理论计算表明，掺杂Er可以调控镍钴双金属磷化物的电子结构，降低Ni和Co的d带中心，提高电导率，优化反应中间体吸附能，降低催化过程的反应能垒。当组装成太阳能驱动的整体水分解装置时，所制备的电极在太阳能转化为氢气的效率可达19.6%，表明其在实际储存间歇性能源方面的潜力。

相关工作以题为“A high-performance transition metal phosphide electrocatalyst for converting solar energy to hydrogen at 19.6% STH efficiency”发表在Carbon Energy上。

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本文亮点

1、开发了一种以泡沫镍为基底负载的Er掺杂NiCoP纳米线阵列电催化剂。

2、制备的电极表现出优异的HER和OER性能。

3、理论计算表明掺杂稀土元素Er可以有效调控Ni和Co的电子结构，优化反应中间体吸附能，降低催化过程的反应能垒。

4、电极材料光氢转换效率高达19.6%。

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图文简介

1、通过水热和低温磷化处理在泡沫镍表面制备了Er-NiCoP/NF纳米线阵列，利用SEM和TEM对材料的形貌进行表征。

图1 Er-NiCoP/NF的合成示意图和形貌表征。

2、通过XRD和XPS分析证实了Er-NiCoP/NF催化剂的成功合成以及Er的引入可以有效调控镍钴双金属磷化物的电子结构。

图2 Er-NiCoP/NF的结构和化学价态分析。

3、Er-NiCoP/NF具有优异的HER、OER活性和稳定性。

图3 Er-NiCoP/NF的电催化性能分析。

4、Er-NiCoP/NF表现出优异的水分解性能和长期稳定性，应用于太阳能驱动的整体分水电解槽中，所制备的电极光氢转换效率可达19.6%。

图4 Er-NiCoP/NF的水分解性能和光氢转换效率分析。

5、理论计算表明，掺杂Er可以调控镍钴双金属磷化物的电子结构，降低Ni和Co的d带中心，提高电导率，优化HER/OER活性中间体的吸附自由能，降低催化过程的反应能垒。

图5 理论计算分析。

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文章总结

本研究开发了一种在导电镍泡沫上原位生长的稀土金属铒掺杂的NiCoP纳米线阵列，并研究了它们在碱性介质下的整体水分解性能。研究证实，Er-NiCoP/NF表现出优异的HER和OER性能和良好稳定性。用于构建太阳能驱动的整体水分解槽时，所制备的电极光氢转换效率可达19.6%。这项工作不仅提供了一种基于稀土元素掺杂的新策略，而且为多样化的能源储存和转换提供了合理的材料设计方法。

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相关论文信息

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论文标题：

A high-performance transition-metal phosphide electrocatalyst for converting solar energy into hydrogen at 19.6% STH efficiency

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.217

DOI:10.1002/cey2.217

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