鐵摻雜磷化鈷納米陣列作為多功能析氫催化劑

吳凱

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

鐵摻雜磷化鈷納米陣列作為多功能析氫催化劑

吳凱

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

化石燃料的快速消耗及其帶來的環(huán)境污染等問題迫使人們尋找可替代的再生能源。氫氣作為一種清潔的可再生能源，有望在未來成為化石燃料的替代品。目前，工業(yè)上制氫主要采用催化水蒸氣重整、煤氣化及石油裂解等方法，但這些方法存在一些缺點，如能耗高、制備的氫氣不純、排放出大量二氧化碳等。堿性條件下電解水制氫具有操作方便、自動化程度高、環(huán)保無污染等優(yōu)點，是一種制備高純氫氣的有效途徑，但需要催化劑以降低陰極析氫過電勢和陽極析氧過電勢1。硼氫化物如硼氫化鈉、氨硼烷和硼氫化鋰的催化水解提供了另一個環(huán)境友好的制氫途徑。其中，硼氫化鈉由于具有理論氫容量高、無毒、環(huán)境友好及在堿性溶液中穩(wěn)定存在等優(yōu)點，成為理想的水解制氫材料。然而這兩種技術的大規(guī)模工業(yè)應用都需使用高效穩(wěn)定且價格低廉的催化劑。

過渡金屬磷化物是磷原子進入過渡金屬晶格而形成的間隙化合物，由于具有極強的導電性、高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，可作為性能優(yōu)異的電極材料用于電催化及傳感領域。表面活性劑的存在會阻礙催化劑表面的活性位點而降低催化效率，因此，無表面活性劑過渡金屬磷化物納米結構的制備是其在催化及分析應用的重要基礎。四川大學孫旭平教授課題組發(fā)展的保形磷化策略解決了這一難題，實現(xiàn)了無表面活性劑過渡金屬磷化物納米結構及陣列的可控制備，并成功用于酸性溶液中高效催化質子電還原制氫2－6及高靈敏、高選擇性核酸和葡萄糖分析檢測7,8。

Advanced Materials最近刊出了孫旭平教授課題組的另一研究成果9。他們在導電基底鈦片上開發(fā)了鐵摻雜的磷化鈷納米陣列(Fe-CoP/Ti)催化電極，這種單片集成電極在堿性水電解環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)于磷化鈷納米陣列的催化性。Fe-CoP/Ti電極達到電流密度10 mA·cm－2時僅需78 mV析氫過電勢和230 mV析氧過電勢。在兩電極電解池中，只需池電壓l.6 V可達到電流密度10 mA·cm－2。此外，F(xiàn)e-CoP/Ti在堿性環(huán)境中對硼氫化鈉水解也具有高的催化活性和優(yōu)越的重復使用性。在百分之一的硼氫化鈉溶液中，在25°C時其活化能低至39.6 kJ·mol－1，產(chǎn)氫速率達6.06 L·min－1·g－1。本工作為高效、穩(wěn)定、多功能的雜原子摻雜過度金屬磷化物納米陣列催化劑開發(fā)提供了新思路。

(1) Wang,J.;Cui,W.;Liu,Q.;Xing,Z.;Asiri,A.M.;Sun,X.Adv. Mater.2016,28,215.doi:10.1002/adma.201502696

(2) Tian,J.;Liu,Q.;Asiri,A.M.;Sun,X.J.Am.Chem.Soc.2014, 136,7587.doi:10.1021/ja503372r

(3) Liu,Q.;Tian,J.;Asiri,A.M.;Sun,X.Angew.Chem.Int.Ed. 2014,53,6710.doi:10.1002/anie.201404161

(4) Tian,J.;Liu,Q.;Cheng,N.;Asiri,A.M.;Sun,X.Angew.Chem. Int.Ed.2014,53,9577.doi:10.1002/anie.201403842

(5) Jiang,P.;Liu,Q.;Liang,Y.;Tian,J.;Asiri,A.M.;Sun,X.Angew. Chem.Int.Ed.2014,53,12855.doi:10.1002/anie.201406848

(6) Tang,C.;Gan,L.;Zhang,R.;Lu,W.;Jiang,X.;Asiri,A.M.;Sun, X.;Wang,J.;Chen,L.Nano Lett.2016,16,6617.doi:10.1021/acs.nanolett.6b03332

(7) Tian,J.;Cheng,N.;Xing,W.;Sun,X.Angew.Chem.Int.Ed. 2015,54,5493.doi:10.1002/anie.201501237

(8) Chen,T.;Liu,D.;Lu,W.;Wang,K.;Du,G.;Asiri,A.M.;Sun,X. Anal.Chem.2016,88,7885.doi:10.1021/acs.analchem.6b02216

(9) Tang,C.;Zhang,R.;Lu,W.;He,L.;Jiang,X.;Asiri,A.M.;Sun, X.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/adma.201602441

10.3866/PKU.WHXB201611081