科学材料站
文 章 信 息
Co2P/FeP 纳米片中 p-d 轨道杂化诱导的电子重分布促进水氧化
第一作者：孙启燕
通讯作者：徐广蕊*，王磊*
单位：青岛科技大学
科学材料站
研 究 背 景
在质子交换膜（PEM）电解槽中，水的氧析出过程涉及四个电子的转移，这一机制使得其动力学过程较为缓慢，从而严重制约了氢气的大规模化生产。目前商用的贵金属基OER催化剂面临着耐久性不足和成本高的问题，难以满足大规模应用的需求。因此，开发新一代高效非贵金属OER催化剂具有重要意义。
科学材料站
文 章 简 介
近日，基于此，青岛科技大学的王磊教授与徐广蕊副教授团队在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Electron redistribution induced by p–d orbital hybridization in Co2P/FeP nanosheets boosts water electrooxidation”的论文。
本研究报道了一种通过气凝胶辅助和气相磷化策略制备的钴磷化物/铁磷化物（Co2P/FeP）纳米片。得益于独特的纳米片结构和p-d杂化作用诱导的电子重分布，Co2P/FeP纳米片在碱性析氧反应（OER）中表现出色。Co-P和Fe-P电荷桥促进了过渡金属与磷元素间的p-d轨道耦合，降低了Co2P/FeP纳米片的d带中心，从而降低了形成*OOH的能量障碍，加快了水氧化过程。这项工作深入揭示了通过电子重分布提高过渡金属催化剂OER性能的机理。
科学材料站
本 文 要 点
图1. 催化剂Co2P/FeP纳米片的制备与表征
要点一：催化剂Co2P/FeP纳米片的制备与表征
本研究通过过气凝胶辅助和气相磷化策略制备，成功合成了Co2P/FeP纳米片。文章中利用SEM、TEM、XRD和HRTEM分析表明纳米片形态均匀、结晶度高，且具有明确的晶格结构。Kirkendall效应导致石墨化碳层的形成。EDX和Raman光谱分析揭示了纳米片的成分和碳层的石墨化特性。BET测量结果显示Co2P/FeP纳米片具有较高的比表面积，有利于催化过程中的质量/电子转移。XPS分析揭示了电子结构和配位环境，证实了双金属磷酸盐的形成，并指出P元素作为电子供体的作用。这一研究为高效催化剂的设计提供了新思路。
图2. OER性能测评
要点二：OER性能测评
在碱性条件下，评估了Co2P/FeP纳米片对OER的电催化活性。结果显示，Co2P/FeP纳米片在10 mA cm⁻²的电流密度下，过电位为257 mV，Tafel斜率为39.6 mV dec⁻¹，表明双金属磷酸盐能加速OER反应动力学。LSV曲线归一化到TOF后显示Co2P/FeP纳米片的OER活性最高。稳定性测试表明，Co2P/FeP纳米片在长时间运行中表现出卓越的耐久性和快速的质量传输性能。此外，碳层的存在显著提高了催化剂的长期稳定性，样品在40小时连续运行后保持了约95%的初始活性。这些结果表明，碳层在提升过渡金属磷化物基催化剂的整体性能和稳定性方面起着关键作用。
图3. 理论计算分析
要点三：理论计算分析
基于Co2P/FeP纳米片模型的密度泛函理论（DFT）计算进一步证实了电子在纳米片上的重新分布，结果显示，Co-3d和Fe-3d能带与P-3p能带匹配良好，表明系统中存在d–d和p–d相互作用，磷化后非均匀电荷分布加强。磷取代后，Co和Fe位点的d带中心向费米能级靠近，界面间电子耦合效应强，结构电子调制明显。模拟分析表明，在碱性条件下，OER过程中，*OOH的形成是速率决定步骤，Co2P/FeP纳米片模型上的吉布斯自由能垒（ΔG）为1.81 eV，低于Co2P和FeP模型的能量垒，说明磷化引起的电子重新分布和优化的d带能量水平有利于降低反应的ΔG，显著促进了OER过程的反应动力学。
要点四：前瞻
通过气凝胶辅助和气相磷化策略，成功构建了具有独特结构的Co2P/FeP纳米片。这些纳米片展现出卓越的电导性和大表面积，提升了电荷传输效率并提供了丰富的活性位点。Co2P/FeP纳米片的多孔结构有利于*OOH的形成和氧气的演化。Co2P/FeP纳米片在40小时连续运行中表现出卓越的稳定性，归功于碳层的保护作用及Co/Fe与P之间的强相互作用。此项研究为利用低成本可再生能源大规模制氢的坚固高效催化剂开发提供了新视角。
科学材料站
文 章 链 接
Electron redistribution induced by p–d orbital hybridization in Co2P/FeP nanosheets boosts water electrooxidation
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta05168h
科学材料站
通 讯 作 者 简 介
王磊教授：山东省杰青，泰山学者青年专家，博士生导师，现任省部共建生态化工国家重点实验室培育基地主任。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，导师冯守华院士。2008.10年-2010.10年在山东大学材料科学与工程博士后流动站从事博士后工作。长期从事绿色能源相关领域研究，在能源储存与转换材料、光电催化剂的宏量制备、无机微波固相合成、海水资源化利用等方面做了大量的工作;以通讯作者在Nat. Commun.，Energy& Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, ACS Cent. Sci., Nano Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Appl. Catal. B: Environ., Sci. China Mater.等国内外重要学术期刊上发表SCl论文400余篇，其中影响因子大于10.0的论文190余篇，所发论文被他引18000余次，H因子67，30篇论文入选ESI高被引。受邀在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Chinese J. Catal. 等国际国内期刊发表多篇综述论文。授权发明专利66项。担任Chinese J. Catal., Nano Research等杂志编委，兼任青岛市科技服务协会会长，山东省清洁生产协会副理事长。先后获得中国颗粒学会自然科学奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖等多项奖励。授权发明专利66项，多项成果实现了工业化应用。
徐广蕊副教授：青岛科技大学特聘副教授，近10年来申请人一直从事纳米材料的可控合成及电化学性能研究，在能源催化材料的可控制备、表征和电化学性能测试等方面积累了较为丰富的经验。研究内容主要涉及不同结构贵金属纳米晶可控合成、金属纳米晶表面功能化修饰及电化学制氢、燃料电池阴/阳极电化学性能研究，取得了具有一定创新性和科学意义的研究成果。目前已在纳米材料可控合成及能源催化领域发表论文40余篇，包括Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal.，Chem. Sci., J. Mater. Chem. A等，获授权发明专利3件和2021年度陕西高等学校科学技术二等奖1项(第四完成人)。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看
