高性能的Ni2P基多功能纳米电催化剂

过渡金属磷化物（TMPs）由于具有优良的催化活性和低成本等特点，有望在催化碱性HER和OER过程中取代贵金属基电催化剂。为了提高TMP基催化剂的HER/OER催化性能，一种有效的方法就是将TMP纳米颗粒负载于碳基材料，从而构建复合结构催化剂。然而直到现在，同时具有电催化ORR、HER和OER性能的三功能TMP基催化剂尚无报道，这主要是因为TMP基催化剂的ORR催化活性较差。因此，开发同时具有优秀ORR、HER和OER催化性能的多功能TMP基电催化剂是TMP基催化剂能够更加广泛应用的必然要求。由金属阳离子和含N有机连接剂构成的金属有机物框架（MOFs）是一类具有高结晶度和丰富微孔结构的新型材料。热处理MOF或者ZIF所得到的多孔金属,N-共掺杂碳催化剂已展示出卓越的电催化ORR性能。

因此，将TMPs与这种金属-氮-碳材料相结合，利用它们各自催化ORR、HER和OER的优势是构建具有更加广泛应用价值的多功能TMP基电催化剂的一种很有前景的方法。近日，清华大学的王定胜（点击查看介绍）团队将Ni₂P纳米颗粒负载于MOF衍生的Co,N-共掺杂多孔碳多面体上，制备得到一种复合纳米结构的催化剂。

图1. Ni₂P/CoN-PCP催化剂的制备流程

他们首先合成了Zn/Co双金属MOF（BMOF）十二面体作为催化剂的Co、N和C源，然后在ZnCo-BMOF表面包覆mesoSiO₂得到ZnCo-BMOF@mesoSiO₂，接下来经过热处理ZnCo-BMOF@mesoSiO₂，刻蚀掉SiO₂壳得到Co,N掺杂的多孔碳多面体（CoN-PCP）。最后，他们通过在氩气氛围下热分解NaH₂PO₂和NiCl₂的混合前驱液，将Ni₂P纳米晶沉积到CoN-PCP基底上得到Ni₂P/CoN-PCP复合催化剂。

图2. Ni₂P/CoN-PCP催化剂的电镜表征

CoN-PCP的高度多孔性以及丰富的N-掺杂缺陷位能够有效抑制Ni₂P纳米颗粒的长大和聚集，从而得到混匀分布的Ni₂P纳米晶（粒径5-7 nm）。所得的Ni₂P/CoN–PCP催化剂具有高比表面积（712 m²•g^-1），有利于充分暴露活性位点，丰富的孔道结构有利于扩散，并具有良好的导电性。Ni₂P/CoN-PCP催化剂表现出卓越的三功能电催化ORR、OER和HER性能。对于HER和OER，产生10 mA•cm^-2的电流密度，Ni₂P/CoN-PCP催化剂分别只需要94 mV和270 mV的过电位，优于文献中报道的其他优秀的Ni₂P基HER/OER电催化剂。对于ORR，Ni₂P/CoN-PCP催化剂的半波电位为0.871 V，比商业Pt/C高出约30 mV。该研究为设计和构建多功能的非贵金属电催化剂提供了一条新的思路，拓展了非贵金属电催化剂在可再生能源转换和储存的应用。

图3. Ni₂P/CoN-PCP催化剂的电催化ORR、OER和HER性能

这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是清华大学的博士后孙婷婷。

该论文作者为：Tingting Sun, Shaolong Zhang, Lianbin Xu, Dingsheng Wang, Yadong Li

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）：

An efficient multifunctional hybrid electrocatalyst: Ni₂P nanoparticles on MOF-derived Co,N-doped porous carbon polyhedrons for oxygen reduction and water splitting

Chem. Commun., 2018, 54, 12101, DOI: 10.1039/c8cc06566g

王定胜副教授简介

王定胜，清华大学化学系副教授；2009年于清华大学取得博士学位，2009年至2012年在清华大学物理系从事博士后研究工作，2012年7月起就职于清华大学化学系，2012年获全国优秀博士论文奖，2013年获国家优秀青年基金。

研究领域是纳米催化，近年来围绕单原子、团簇催化剂的精准合成及原子尺度上的构效关系开展了系统深入的研究工作。

https://www.x-mol.com/university/faculty/12030