过渡金属磷化物/碳一维复合纳米结构高性能电催化剂的设计合成与应用

Transition metal phosphides (TMPs) based nanostructures have become one of the research focuses as the electrocatalyst for hydrogen evolution reaction (HER) involved in water splitting because of their remarkable electrocatalytic activity. However, it remains a great challenge to achieve the practical applications at current stage due to the bottleneck disadvantage of poor stability and unsatisfactory electrocatalytic activity. In order to resolve this critical issue and to realize the practical applications of this class of materials, this project proposed the design and synthesis of TMP/carbon one-dimensional core/shell hybrid nanostructures to largely improve the durability and to further enhance the electrocatalytic activity. In addition, the controllable synthesis of TMP/carbon core/shell nanowires with adjustable compositions, morphologies and structures will be investigated through the control over the reaction conditions, followed by systematically investigating of the key parameters for electrocatalytic performance and uncovering intrinsic mechanisms, which could lead to the effective route to push the limit of the electrocatalytic performance. Aiming to achieve the improvement of the structural stability and enhancement of the electrochemical performance, this project will not only provide novel approaches for the synthesis of TMP/carbon one-dimensional core/shell hybrid structures, but also significantly contribute the advance of large-scale applications of water splitting.

过渡金属磷化物纳米结构由于其高电催化活性的优点近年来已经成为电解水产氢过程中析氢反应电催化剂的研究热门之一。然而，现阶段实现该类材料取代贵金属铂催化剂的实际应用仍存在巨大挑战，关键是其稳定性需要大幅提高以及电催化活性需要进一步优化。本项目拟通过设计与合成过渡金属磷化物/碳组成的一维核壳纳米结构，实现该类材料作为电催化剂其稳定性的大幅提高以及电催化活性的进一步优化。通过反应条件的调控实现成分、形貌以及结构可控的一维核壳纳米结构的制备，并系统研究影响材料电催化性能的关键因素，揭示相关机理，获得优化其电催化性能的有效途径。本项目研究不仅为过渡金属磷化物/碳一维核壳纳米结构的控制合成提供了新途径，而且将进一步推动电解水产氢技术的大规模应用。

过渡金属（过渡金属化合物）/碳复合纳米结构由于其高电催化活性的优点近年来已经成为电解水产氢过程中析氢反应电催化剂的研究热门之一。然而，现阶段实现该类材料取代贵金属铂催化剂的实际应用仍存在巨大挑战，关键是其稳定性需要大幅提高以及电催化活性需要进一步优化。针对这一挑战，本项目针对过渡金属及过渡金属化合物/碳复合纳米结构的合成方法进行了大量探索，系统的掌握了合成条件对复合纳米结构的形貌、微结构以及复合结构中的界面的物理/化学特性的影响规律，特别是发展了通过一锅法直接合成过渡金属磷化物/碳复合纳米片结构的普适方法，并重点研究了复合结构的催化活性与其微结构之间的构效关系实现了基于过渡金属（过渡金属化合物）/碳复合结构的多功能催化特性，包括氧还原反应以及析氧反应等。在此基础上，基于本课题组制备的过渡金属（过渡金属化合物）/碳复合结构多功能电催化剂，搭建了基于锌空气电池驱动的电解水制氢系统，实现了自驱动电解水制氢的扩展功能。此外，我们通过室温快速合成的方法制备了具有三维泡沫结构的三元金属NiCoFe基MOF，该材料可展示出优异的OER催化活性，电流密度为10 mA cm-2时对应的过电位仅为257 mV，研究结果表明，在OER循环过程中电化学转化的金属氢氧化物/羟基氧化物可能为真正的催化活性物种。另外，我们基于普适的阴离子交换策略，以FeCo-MIL-88B为前驱体，成功制备了多种非晶过渡金属氧化物，包括A-FeCoWOx，A-FeCoVOx，A-FeCoPOx，A-FeCoBOx和A-FeCoSeOx的空心纳米棱柱结构。当将其用作OER催化剂时，A-FeCoSeOx展示出优异的催化活性(η10=294 mV)和良好的循环稳定性，进一步的原位拉曼光谱结果说明非晶氧化物结构在OER过程中可逐渐转变为氢氧化物/羟基氧化物结构。