楼雄文Angew. Chem. Int. Ed. NiCoP/C纳米盒子用于析氧反应,具备增强析氧催化活性

材料人2018-04-15 04:25:56
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【引言】


纳米中空结构由于其比表面积大、结构独特,在电化学储能和能源转化领域中是一类发展前景广阔的电极材料。先前就有报道,表明掺有镍钴的MoS2纳米盒子在析氢(HER)反应中表现出了优异的电催化性能。近年来,纳米结构的金属磷化物在电催化、光催化、锂离子电池、钠离子电池等领域应用的研究更是层出不穷,尤其是在HER中,金属磷化物表现出了巨大的潜力。对金属磷化物的结构调控,可以实现性能的优化。目前,中空纳米结构的合成机理研究尚未深入,寻求高效的制备方法对于纳米中空结构的研究还存在着很多挑战。利用类金属有机骨架(MOF)合成策略,制备镂空纳米结构也是目前一个研究的热点。


【成果简介】


最近,Angewandte Chemie International Edition刊登了一篇题为“Carbon-Incorporated Nickel – Cobalt Mixed Metal Phosphide Nanoboxes with Enhanced Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution”的文章,报道了南洋理工大学化学与生物工程学院的楼雄文教授 (通讯作者) 课题组关于磷化镍钴中空结构在电催化中的最新成果。研究人员利用ZIF-67立方体颗粒为先驱体,通过金属有机骨架(MOF)策略合成了含碳的镍钴双金属磷化物纳米盒子(NiCoP/C),并对其电化学性能进行了测试——析氧反应(OER)。由于其独特的中空纳米结构和组成成分,NiCoP/C纳米盒子表现出了较强电催化活性,仅仅在330 mV的过电势下,电流密度就可达到10 mA·cm-2。此外,该材料在OER反应中的稳定性也大为增强,相同条件下,优于具备同种结构的NiCoP纳米盒子 和 双层氢氧化镍钴(Ni-Co LDH)纳米盒子(作为对比)。


【图文导读】


图1  NiCoP/C纳米盒子的合成过程示意图



I) ZIF-67@LDH纳米盒子的制备;

II) 通过磷化制备NiCoP/C 纳米盒子;


图2  25℃下制备的NiCoP/C纳米盒子的形貌表征



(a,b)  NiCoP/C纳米盒子的FESEM图;

(c,d)  NiCoP/C纳米盒子的TEM图;


图3  形貌表征及元素谱图



(a,b)  NiCoP/C纳米盒子的FESEM图;

(c)  NiCoP/C纳米盒子的TEM图;

(d)  NiCoP/C纳米盒子的HAADF-STEM图;

(e-g)  NiCoP/C纳米盒子的元素图谱:Ni (e)、Co (f)、P (g);


图4  电化学性能测试



测试条件为0.1 M的氧气饱和的KOH溶液

(a)  极化曲线;

(b)  塔菲尔曲线;

(c)  计时电流曲线;


【小结与展望】


利用ZIF-67纳米立方体颗粒作为前躯体,采用类MOF合成策略,成功制备了NiCoP/C纳米盒子材料。通过FESEM和TEM表征,证实了其具备空纳米结构。电化学性能测试结果表明,在330 mV的过电势下,电流密度就可达到10 mA·cm-2,且稳定性优良,究其原因,如下所示:不同金属磷化物之间的协同作用,和碳对电荷的运输效率以及材料电导性的增强,使得NiCoP/C纳米盒子材料的电催化活性得以增强;此外,纳米盒子本身的多孔结构和较大的比表面积又能够提供更多的反应位点,因而促进了OER反应效率。


这项工作为MOF衍生功能材料的设计和制备提供了一个新的思路。


文献链接:Carbon-Incorporated Nickel–Cobalt Mixed Metal Phosphide Nanoboxes with Enhanced Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612635)(见下方“阅读原文”)


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