中国石油大学（华东）张军教授课题组：模板定向合成分级结构Cu3P纳米阵列用于全解水制氢

研究背景

电解水制氢可以通过电化学过程产生绿色能源-氢气，能减少传统化石燃料的消耗，从而缓解化石燃料燃烧带来的生态环境恶化。贵金属基催化剂是迄今为止活性最高的电解水制氢催化剂，然而它们高昂的价格和稀缺性阻碍了其大规模应用。因此，利用地球上储量丰富的非贵金属材料，开发具有成本效益和高性能的双功能催化剂引起了科学界的广泛关注。

较为理想的电解水催化剂应该具有高的电催化活性面积、电子传导率、结构稳定性、电化学稳定性和经济性等特点。与传统粉末状电催化剂相比，在导电基底上直接构建纳米阵列被认为是增加电化学活性面积的有效策略。另外，催化剂与导电基底间紧密连接，无需使用聚合物粘合剂，这不仅避免了催化剂活性位点被覆盖，还降低了电荷转移电阻。此外，三维开放结构为催化反应提供了丰富的传质通道，有利于催化过程的进行。具有分级纳米结构的纳米阵列有着更为粗糙的表面形态，能暴露更多的表面电催化活性位点并能更有效地驱散气泡。

图文解读

基于此，中国石油大学（华东）张军教授团队通过模板定向合成策略在镍泡沫上设计制备了Cu₃P分级纳米阵列作为高效的HER和OER的双功能电催化剂。该体系首先在集流体（泡沫镍）上构建出Cu(OH)₂纳米线阵列，其在随后的磷化反应中作为Cu₃P纳米阵列的自模板。在OER过程中，所获得的Cu₃P纳米阵列经过原位电化学过程，转变为具有分级结构的Cu3P纳米阵列，其表面被大量的CuO纳米颗粒全面覆盖（图1）。经原位氧化后的Cu₃P/NF分级纳米阵列电极在1 M KOH电解液中仅需要331 mV的析氧电位即可实现50 mA cm^-2的电流密度，塔菲尔斜率仅为67 mV dec^-1。将制备的Cu₃P/NF作为阴极，原位氧化后的Cu₃P/NF电极作阳极，仅需1.63 V的槽电压即可实现10 mA cm^-2全解水的电流密度。分析表明，该体系电极材料优异的电解水催化性能归因于三维纳米阵列以及分级纳米结构，这有利于催化电极在电催化水分解过程中暴露出更多的表面电催化活性位点，电极在电解液中良好的浸润性能显著提高传质、传荷效率。该研究为制备具有分级结构的纳米阵列催化电极材料具有一定的指导和借鉴意义，为清洁能源的开发和利用起到促进作用。

文章信息

本文以“Hierarchical Cu₃P-based nanoarrays on nickel foam as efficient electrocatalysts for overall water splitting”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为中国石油大学（华东）张军教授和脱永笑博士。扫描下方二维码或点击文末“阅读原文”均可免费获取全文。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.09.002

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部

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