表面富集的超小鉑納米顆粒耦合缺陷磷化鈷用于高效的電催化水分解和柔性鋅空氣電池

編號(hào)：CYYJ03272

篇名：表面富集的超小鉑納米顆粒耦合缺陷磷化鈷用于高效的電催化水分解和柔性鋅空氣電池

作者：吳則星 高玉肖 王子璇 肖衛(wèi)平 王新萍 李彬 李鎮(zhèn)江 劉曉斌 馬天翼 王磊

關(guān)鍵詞： 三功能電催化劑 析氫/氧反應(yīng) 氧還原反應(yīng) 柔性鋅空氣電池 COP

機(jī)構(gòu)： 青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院 青島科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 皇家墨爾本理工大學(xué)STEM學(xué)院理學(xué)院

摘要： 開發(fā)多功能的納米電催化劑可以提高單位催化劑表面活性密度.本課題組采用熱解和還原工藝制備了具有多功能電催化性能的超小鉑納米顆粒耦合缺陷CoP的納米材料(Pt/d-CoP/NPC),它具有較高的氧還原反應(yīng)(ORR)半波電位(0.82 V).所合成的Pt/d-CoP/NPC電催化劑具有良好的電催化析氫反應(yīng)活性,當(dāng)反應(yīng)活性達(dá)到10 mA cm-2時(shí),過電位分別為33 mV@1mol/L KOH, 10 mV@0.5 mol/L H2SO4和70 mV@1 mol/L PBS.Pt/d-CoP/NPC催化劑還表現(xiàn)出較好的析氧反應(yīng)活性.以合成的催化劑Pt/d-CoP/NPC作為電極組裝的全解水裝置和可充電鋅空氣電池具有良好的活性和穩(wěn)定性,可以持續(xù)有效地驅(qū)動(dòng)全解水產(chǎn)氫,在存儲(chǔ)可再生能源方面的具有較好的應(yīng)用潛力.采用X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜測(cè)試和傅里葉紅外光譜測(cè)試(FTIR)等技術(shù)研究了Pt顆粒與CoP之間的相互作用,并利用密度泛函理論(DFT)計(jì)算研究了催化劑的ORR反應(yīng)機(jī)制.Pt/d-CoP/NPC在129.3 (2p3/2)和130.1 eV (2p1/2)處的P 2p軌道觀察到P-M鍵,證實(shí)了金屬磷化物的存在.Pt/d-CoP/NPC的Co結(jié)合能相對(duì)于d-CoP/NPC的結(jié)合能發(fā)生了正移,表明Pt與CoP之間存在電子相互作用.由于Co和Pt的電負(fù)性差異,Pt/d-CoP/NPC中Pt的峰值與商用Pt/C相比呈負(fù)移,說明電子從Co向Pt轉(zhuǎn)移.XPS也證實(shí)了碳的存在.此外,拉曼光譜也出現(xiàn)了碳的特征峰D峰和G峰.并且Pt/d-CoP/NPC和d-CoP/NPC的ID/IG值相似,說明Pt的引入不會(huì)影響碳基體的結(jié)構(gòu).在N 1s光譜中,檢測(cè)到N-P和吡啶氮的存在,證實(shí)在Pt/d-CoP/NPC和d-CoP/NPC中形成了N, P摻雜的碳.此外, Pt/d-CoP/NPC的FTIR譜出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于P-O, N-P, C-C, C-H和O-H的峰,也證明了氮磷共摻雜碳的存在.通過DFT計(jì)算進(jìn)一步分析Pt/d-CoP/NPC電催化劑具有良好ORR活性的原因.結(jié)果表明,電荷從CoP轉(zhuǎn)移到Pt,有利于活性氧分子的活化,促進(jìn)催化過程.對(duì)比不同模型ORR過程中間體的自由能圖, Pt/d-CoP/NPC和Pt/C的速率決定步驟為O2生成OOH*,合成的Pt/d-CoP/NPC具有有利的熱力學(xué)過電位,證明了其高效的ORR性能.此外, Pt/d-CoP/NPC中Pt的d帶中心相對(duì)于純Pt有明顯的正向費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)移,說明引入的CoP可以導(dǎo)致離域電子重分布,從而優(yōu)化了反應(yīng)中間體的吸附.綜上,Pt/d-CoP/NPC催化劑中Pt與CoP之間存在相互作用,進(jìn)而提高催化活性,該催化劑的合成有望為開發(fā)多功能電催化納米材料提供參考.