第一作者：余芳、周海青

通讯作者：Zhifeng Ren、Shuo Chen

通讯单位：休斯顿大学

研究亮点：

1. 报道了一种在泡沫镍上由磷化铁和磷化二镍纳米晶构成的混合催化剂。

2. 该催化剂兼具优异的HER和OER催化性能。

碱性电解槽是一种可用于大规模制氢的成熟技术，这主要是因为在这种电解水装置中，廉价的非贵金属镍基催化剂成本低，可以在工业上大量使用。

然而，碱性电解槽相应的氢气生产速率大大降低。其中一个巨大的挑战在于催化剂缓慢的反应动力学过程造成巨大的能量损失，使得该电解槽需要超过1.8伏分解电压才能驱动全分解水反应达到电流密度200 mA/cm²。这主要是因为所使用的镍基催化剂的催化析氢或析氧过电位过高，尤其是析氧过电位过高。

因此，为了加快水电解制氢的商业化进程，急需合理研发非常高效的非贵金属催化剂，促进全分解水反应的进行，以便所组装的碱性电解槽能够轻易地实现低分解电压、高电流密度下的制氢反应。

有鉴于此，休斯顿大学 Zhifeng Ren教授、Shuo Chen教授课题组（共同通讯作者）报道了一种在泡沫镍上由磷化铁和磷化二镍纳米晶构成的混合催化剂，该催化剂具有优异的双功能催化特性。

图1. 制备的FeP / Ni₂P杂化材料的合成与显微表征。

该催化剂既能有效地驱动氢气析出反应，又能高效地加速氧气析出反应，并因此加速了全分解水反应的进行，在10 mA cm^-2处的水分解电压降低到1.42 V，优于铱IV）氧化物（阳极）和铂电极（阴极）组装的电解槽电压（1.57 V），是目前最好的双功能催化剂之一。

该工作证实了FeP / Ni₂P混合物对于具有与最先进的贵重Pt催化剂（-57 mV）一样好的催化性能（-14 mV达到-10 mA cm^-2）的HER ，以及迄今为止报道的具有最低过电位（154 mV以提供10 mA cm^-2）的OER，基本上优于基准IrO₂（281 mV）和其他报道的强大OER催化剂。

此外，受到优异的HER和OER活性的启发，作者将这种双功能催化剂直接作为阳极和阴极电极集成在碱性电解槽中，并证明只有1.42 V的电池电压可以提供10 mA cm^-2，而电池需要1.72 V的电压就能提供500 mA cm^-2， 特别是，即使经过40小时的耐久性测试，它在1.72 V下也能提供500 mA cm^-2的无衰减，并具有40 h的耐用性，远远超过当前工业催化剂的性能（当前工业催化剂对于400 mA cm^-2需要2.40 V电压）。

图2电催化氧气释放反应。

图3电催化析氢反应。

图4 FeP/Ni₂P催化剂的总体水分解活性。

总之，本文开发了一种支持在3D Ni泡沫上的FeP / Ni₂P混合催化剂。该催化剂被证明是用于全分解水反应的优异双功能催化剂，在相同的碱性电解液中表现出极高的OER和HER活性，为大规模氢气生成铺平了道路。

参考文献：

Yu F, Zhou H, Huang Y, et al. High-performance bifunctional porous non-noble metal phosphide catalyst for overall water splitting[J]. Nature Communications, 2018, 9:2551.

DOI: 10.1038/s41467-018-04746-z

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04746-z#article-info