北京科技大学于然波教授：新型三维自支撑多级结构过渡金属磷化物催化剂电极用于高效电解析氢反应

导

读

北京科技大学于然波教授课题组提出以泡沫镍为基底，简便地制备了高性能的过渡金属磷化物基多级结构自支撑电极用于碱性体系下电催化析氢反应，实现了高活性和稳定性的协同。

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背景介绍

氢能是一种燃烧价值高、储量丰富的可再生能源。它是一种理想的替代能源，没有环境问题，未来有望取代日益减少的化石燃料。从水出发，电催化析氢是一种清洁、高效、无CO₂、无污染物排放的制取高纯度H₂的方法。具体来说，在碱性溶液中析氢反应(HER)具有设备和工艺优势，适合大规模生产，但动力学相对在酸性溶液中较慢，因此需要有效的电催化剂来降低过高的过电位。过渡金属磷化物由于其较高导电性、优异HER活性、宽pH适应性以及良好的稳定性，被认为是最有希望替代昂贵稀缺的贵金属催化剂的材料。而对其进行微纳结构设计可以促进物质传输、减小界面电阻、调节表面亲润性，进一步提升其催化性能。

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研究进展

本论文通过以泡沫镍为基底，在其上生长钴酸镍纳米棒，再通过快速电沉积的方式在生成的钴酸镍纳米棒上生长氢氧化钴薄层，使用次磷酸钠与碳酸氢铵同时进行低温磷化与氮化，在钴酸镍纳米棒上生成掺氮磷化钴纳米片。此方法获得了三维自支撑结构的过渡金属磷化物基电极（N-Co₂P/NiCo₂O₄/NF），拥有多级的多孔结构，可以极大增加催化剂与电解液相接触的面积，充分暴露活性位点；亲水疏气的表面，有利于反应物的吸附和产物（氢气）的脱附，提升反应动力学；同时活性物质原位生长，无需粘结剂便于与集流体紧密接触，减小界面电阻。另一方面，掺杂N元素能够调控过渡金属磷化物的电子结构，调节d电子带中心，优化活性中间产物吸附强度，从而进一步提高材料的析氢催化性能。

图1. 三维自支撑多级结构N-Co₂P/NiCo₂O₄/NF电极的制备流程。

图2. 制备的电极材料展现了优异的电化学析氢反应性能。

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文章信息

本文以“Anchoring nitrogen-doped Co₂P nanoflakes on NiCo₂O₄ nanorod arrays over nickel foam as high-performance 3D electrode for alkaline hydrogen evolution”为题发表在Green Energy & Environment，该论文的第一作者为北京科技大学硕士研究生季小好，通讯作者为北京科技大学于然波教授与中国科学院过程工程研究所王祖民助理研究员。

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通讯作者简介

于然波

于然波，北京科技大学教授、博导。1994年获得吉林大学化学系无机化学专业获理学学士学位;1997年吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，获硕士学位;1999年赴日本攻读博士学位，其间获得日本学术振兴会（JSPS）特别研究员奖学金。2002年3月获得工学博士学位后，先后在日本京都大学化学研究所及美国休斯敦大学化学系从事博士后研究。2004年4月起在北京科技大学物理化学系任教。

主要研究纳微结构能源环境材料的设计、合成与性能研究，取得了多项创新性研究成果。目前已在包括Nat. Energy、Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Nano Lett、Chem. Sci.、Small等高水平专业期刊发表SCI收录论文250余篇。作为第一发明人获授权中国发明专利13项。入选“北京市科技新星计划” ；教育部 “新世纪优秀人才支持计划；获 “日本陶瓷协会中日交流促进奖” 、中国颗粒学会一等奖（第二完成人）。

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部

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