摘要
氢能具有燃烧热值高（1.4×108J/kg）、环境友好等特性，被视为未来20年最有发展潜力的新型能源。水电解是一种致力于未来碳中性甚至负碳的制氢技术，被研究者认为是工业制氢的最佳选择。它主要涉及到在阳极和阴极上发生的两个半反应，即析氧反应（oxygen evolution reaction,OER）和析氢反应（hydrogen evolution reaction,HER）。而OER过程涉及多步骤的电子传递，使整个电解水过程受限于阳极一侧的电子迟缓动力学。因此，需要设计开发高效、廉价的催化剂来加速低过电位（?）条件下的OER过程，以提高能量转换效率。目前为止，贵金属氧化物（特别是RuO2和IrO2）仍然是最有效的OER电催化剂。但贵金属成分的稀缺性和珍贵性严重制约了它们大规模的商业应用。近年来，科研人员开发了一系列非贵金属催化剂，包括过渡金属硫化物、硒化物、磷化物、氧化物等。然而这类材料因导电性能差以及活性位点有限，其催化活性往往不能与贵金属催化剂相媲美。因此，通过有效的方法和策略设计和开发地球资源丰富、适合水裂解的催化剂是非常有必要的。基于此，开展了以下研究： 通过一种顺序模板策略，即以金属有机框架模板为导向制备中空纳米笼状结构的复合铁掺杂磷化镍催化剂（Fe-Ni2P/NC NCPs），用于高效的析氧反应（OER）。受益于独特的3D中空结构和铁掺杂效应以及磷化物与碳载体产生的协同效应，所获得的Fe-Ni2P/NC催化剂在电流密度达到10mA cm-2时，其过电位低至228mV,Tafel斜率仅为33.4mV dec-1。并且在持续测试24h后也能表现出优异的稳定性。拉曼光谱和XPS表征表明，催化剂在OER过程中发生了表面重构，原位生成的Fe-NiOOH是促进OER的真正活性物质。 结合水热、离子交换以及低温磷化方法，成功制备了一种铁掺杂磷化钴与碳材料强耦合的3D微米花状复合材料（Fe-CoP@C）。功能化碳纳米片上负载的Fe-CoP纳米粒子，可促进与电解液的充分接触并暴露更多的催化活性位点。Fe元素的掺入优化了材料的电子结构，使材料表现出优异的OER催化活性。所制备的Fe-CoP@C催化剂只需251mV的低过电势即可产生10mA cm-2的电流密度，Tafel斜率仅有37.9mV dec-1。同时受益于纳米粒子与碳层之间强耦合作用，Fe-CoP@C催化剂表现出更快的反应动力学和超高的结构稳定性，该复合材料在碱性溶液中连续运行24h后仍具有良好的稳定性。
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