用肼氧化反应（HzOR）代替缓慢的析氧反应（OER）以产生氢气是一种比水分解制氢更节能的策略。然而，两电极系统中相对较高的电池电压和所需的外部电源阻碍了其进一步的应用，尤其是在移动设备中。

有鉴于此，中科大章根强教授报道了一种双功能的P，W共掺杂Co3N纳米线阵列电极，对HzOR（在10 mA cm-2下为-55 mV）和HER（在10 mA cm-2下为-41 mV）具有显着的催化活性。

本文要点

1）通过简便的两步工艺合成了镍泡沫上的P，W共掺杂的Co₃N纳米线阵列（PW-Co₃N NWA/NF）。首先，使用磷钨酸（表示为PW₁₂）作为P和W的单一掺杂资源，通过低温水热法在Ni泡沫材料上生长前体纳米线阵列。然后，可以在NH3气氛中于高温下进行热退火处理后，获得最终产物。

2）使用场发射扫描电子显微镜（FESEM），透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）对形态和结构进行表征。不同放大倍数下的全景图显示，在镍泡沫上具有均匀排列且致密地生长的纳米线。TEM图像显示，PW-Co₃N纳米线由相互连接的纳米颗粒组成，可以在退火时的相变过程中形成纳米颗粒。HRTEM图像显示出清晰的晶格条纹，其晶面间距分别为2.04和2.16Å，对应于六方Co₃N相的（101）和（002）面，与XRD测试结果相同。PWCo₃N NWA/NF的HAADF-STEM图像在原子分辨率下显示的放大图像表明成功掺杂了W。

3）由在Ni泡沫上生长的P，W共掺杂的Co₃N纳米线阵列组成的集成电极（表示为PW-Co₃N NWA/NF）对HzOR和HER具有基准电催化活性。在1.0 M KOH/0.1 M N₂H₄电解质中，对于HzOR，它可实现10、200和600 mA cm-2的超低工作电势，分别为-55、27和127 mV（相对于RHE）。PW-Co₃N/NF对HER也表现出类似Pt的活性，在1.0 M KOH电解质中，在10 mA cm^-2下具有41 mV的低过电势和40 mV dec^-1的Tafel斜率。

4）在内置的两电极电解槽，使用PW-Co₃N NWA / NF作为整体肼分解（OHzS）的阳极和阴极催化剂，只需28 mV的工作电压即可达到10 mA cm^-2的电流密度，仅需277 mV即可达到200 mA cm^-2其结果领先于先前的文献报道结果。

5）通过使用自制的直接肼燃料电池（DHzFC）来驱动以肼为唯一液体燃料的OHzS，成功设计出自行供电的制氢系统。

6）采用DFT计算分析了HzOR和HER性能增强的基本原理，其中P/W掺杂不仅可以降低PDS的自由能，即将NHNH*脱氢为NHN*，还可以使ΔG_H*更热中性。

Liu, Y., Zhang, J., Li, Y. et al. Manipulating dehydrogenation kinetics through dual-doping Co3N electrode enables highly efficient hydrazine oxidation assisting self-powered H2 production. Nat Commun, (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-15563-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15563-8