科研进展

深圳先进院成功制备钴掺杂磷烯电催化剂

  

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料界面研究中心喻学锋研究员团队在开发黑磷电催化活性方面取得新进展,成功以块状黑磷晶体为前驱体,快速制备得到单原子钴掺杂的磷烯,将磷烯电催化析氢活性提升数百倍,并展现出更好的稳定性,相关研究成果以“Direct Synthesis of Metal-Doped Phosphorene with Enhanced Electrocatalytic Hydrogen Evolution”为题,发表在Wiley旗下重要刊物Small Methods上(Small Methods,2019,1900083)。研究助理刘丹妮及副研究员王佳宏为共同第一作者,喻学锋研究员为通讯作者。

  随着全球工业化提升及经济发展,环境污染问题日益严重,迫切需要绿色能源替代化工燃料,而氢气是理想的替代能源。具有高比表面积及高迁移率的磷烯(原子厚度的黑磷)在电催化水裂解产生氢气及氧气方面有巨大的潜力,然而,磷烯具有较高的吸附氢能,限制了其在电催化析氢性能的进一步提升。

  为解决这一难题,喻学锋研究员团队开发出一种新型电化学方法,在块体黑磷剥离成磷烯的同时,实现单原子钴的掺杂。该简单快速的方法得益于电解液(N,N-二甲基甲酰胺,DMF),插层剂(四丁基铵阳离子,TBA+),过渡金属离子(Co2+)之间的协同效应。通电以后,TBA+在电场加持下,向阴极迁移,被黑磷表面负电荷吸引,进入块体黑磷内部,并撑开黑磷层间。同时,TBA+被分解为三丁胺(Bu3N),与DMF,Co2+形成带正电的Co-Bu3N-DMF复合物,进入撑开的黑磷层间。钴被黑磷表面的负电荷吸引,在黑磷表面还原成钴原子,成为掺杂剂。而Co-Bu3N-DMF复合物之间的库仑力跟空间位阻效应使钴原子不会聚集,从而得到单原子掺杂的磷烯。所制备的几种过渡金属掺杂的磷烯均比纯磷烯有更高的本征电催化活性。尤其是钴掺杂的磷烯,具有优异的吸附氢/脱附氢能,吉布斯自由能是0.01 eV,非常接近理想的最优吉布斯自由能(0 eV),电催化活性最好,在0.294 V 时就能达到 10 mA cm-2.

  该研究工作得到了中国科学院前沿科学重点研究,中国科学院科技服务网络计划,深圳基础研究布局项目等项目资助。

  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201900083   

  图1.(a)钴掺杂磷烯制备过程。(b)钴掺杂磷烯的高倍暗场透射图。(c)制备原理示意图。(d)不同过渡金属掺杂磷烯的极化曲线图。(e)析氢反应中氢吸附/脱附能吉布斯自由能图。