江西师范大学CEJ ‖ MOF衍生氮掺杂碳修饰的CoP@FeCoP多面体用于高效整体水分解

文章背景

磷化钴(CoP)由于其内在的金属-磷键合,价格低廉和富含稀土元素,已被用作典型的HER和OER电催化剂。

然而,它们仍然存在稳定性差和电导率不足的问题,这导致了电化学过程中过大的过电位和Tafel斜率。

为此,氮掺杂碳基杂化或电子结构调控等成分修饰是提高性能的有效方法。对纳米催化剂的结构和形貌控制也进行了研究,多项研究表明蛋黄壳结构材料可能具有良好的电催化水裂解活性。

最近的很多工作致力于从合理设计的金属有机框架(MOFs)前驱体中获得用于电催化的创新纳米材料,这些材料通常具有很大的优点,包括表面积大,孔径梯度和结构均匀。

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江西师范大学卢章辉课题组等人报道了一种简单的合成MOFs衍生的Co@FeCoP蛋黄壳微多面体FeCoP (CoP@FeCoP/NC YSMPs)的方法,该方法具有丰富的N和C掺杂。

在惰性气氛中进行一步磷化后,蛋黄壳结构的MOFs转化为含氮多孔碳骨架的双金属磷化物。衍生材料保留了相应的蛋黄多面体结构,有效地降低了CoP的团聚程度。

利用上述优点,制备的CoP@FeCoP/NC双功能材料在1.0 M KOH溶液中表现出优异的HER和OER性能。

最后,将CoP@FeCoP/NC YSMPs催化剂组装成双电极水分裂装置,在电池电压不超过1.68 V的情况下,可以提供10 mA cm2的电流密度。

结果与讨论

图2是催化剂的形貌表征,ZIF-67呈现一种非常规则的多面体结构。ZIF-67@Co-Fe PBA YSMPs具有独特的蛋黄壳状结构。

在透射电镜下可以清晰的观察到CoP的(111)和(112)晶面,EDS Mapping 可以观察到各个元素的分布情况。

图3是CoP@FeCoP/NC YSMPs的HER性能表征,在1 M KOH碱性环境下,10 mA cm-2电流密度时过电位仅有141mV。

Tafel斜率为56.34 mV dec-1。在经过20小时的循环稳定测试后电流密度衰减很小,这证明催化剂具有良好的HER稳定性。

图4是CoP@FeCoP/NC YSMPs的OER催化活性。在电流密度10 mA cm-2表现出238 mV的过电位催化活性,并且具有良好的OER循环稳定性。在全解水的测试中,10 mA cm-2的电压仅为1.68V。

总之,作者以ZIF-67 MPs为模板,采用简便的方法成功合成了CoP@FeCoP/NC双功能蛋黄多面体结构。

HER和OER活性测量结果验证了其高效的电催化性能,这可以归因于从卵泡壳结构中产生的丰富的活性位点。

蛋黄壳结构与氮掺杂碳基体的协同作用还可以优化电子结构,提高催化活性。

本研究提供了一种简便可控的合成策略,通过精心设计MOF配合物获得高活性双功能磷化催化剂,为MOF作为前驱体的潜在应用开辟了一条新的途径。

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