氫氣(H₂)因其高能量密度、燃燒后的產(chǎn)物(如水)無(wú)污染、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有前景的清潔能源。通過(guò)水或更具挑戰(zhàn)性的海水電解產(chǎn)生氫氣被認(rèn)為是有前景的和可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。海水電解制氫具有資源取之不盡(占水資源總量的96.5%)，可與海洋相關(guān)的可再生能源技術(shù)容易結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越多的研究。

然而，海水電解面臨著一定的挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜的離子化學(xué)和不溶性的副產(chǎn)物(如Mg(OH)₂)會(huì)降低電極的活性。更重要的是，海水中的氯離子(Cl^–)會(huì)腐蝕電極。除了嚴(yán)重的與腐蝕相關(guān)的問(wèn)題外，氯析出/氧化反應(yīng)(ClER/ClOR)還與陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)相競(jìng)爭(zhēng)。因此，海水電解迫切需要一種高效、長(zhǎng)期穩(wěn)定、耐Cl^–腐蝕的雙功能催化劑。

在此基礎(chǔ)上，華中科技大學(xué)王得麗等人構(gòu)建了一種具有自支撐結(jié)構(gòu)的雙金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極，該電極與泡沫鐵(C@CoP-FeP/FF)上的超薄碳層強(qiáng)耦合，實(shí)現(xiàn)了高效海水電解。

在堿性環(huán)境中，本文利用三電極系統(tǒng)測(cè)試了制備的催化劑的OER和HER性能，并與泡沫鐵(FF)和CoFeP/FF進(jìn)行對(duì)比。C@CoP-FeP/FF在堿性介質(zhì)中達(dá)到100 mA cm^-2所需的過(guò)電位僅為297 mV，低于FF(450 mV)和CoFeP/FF(305 mV)。

此外，F(xiàn)F、CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF的Tafel斜率分別為134.02、52.70和58.48 mV dec^-1。CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF的小Tafel斜率證實(shí)了Co的加入可以提升Fe基催化劑的OER性能。對(duì)于HER性能測(cè)試，在1 M KOH中，在100 mA cm^-2的電流密度下，F(xiàn)F、CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF所需的過(guò)電位分別為391、184和154 mV，表明C@CoP-FeP/FF具有出色的HER活性。

同時(shí)，在1 M KOH中，C@CoP-FeP/FF的Tafel斜率(67.23 mV dec^-1)小于FF(151.76 mV dec^-1)和CoFeP/FF(111.18 mV dec^-1)，進(jìn)一步表明了C@CoP-FeP/FF具有快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。更重要的是，當(dāng)將C@CoP-FeP/FF在模擬海水環(huán)境中進(jìn)行HER/OER測(cè)試時(shí)，C@CoP-FeP/FF在100 mA cm^-2的電流密度下的過(guò)電位分別為192 mV和297 mV，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

基于在模擬海水中的雙功能催化特性，將C@CoP-FeP/FF同時(shí)作為陰極和陽(yáng)極進(jìn)行海水電解。當(dāng)電壓為1.73 V時(shí)，C@CoP-FeP/FF||C@CoP-FeP/FF在模擬海水中達(dá)到了100 mA cm^-2的電流密度，略優(yōu)于在1 M KOH中(1.74 V)。此外，C@CoP-FeP/FF|| C@CoP-FeP/FF在1.75 V的恒電壓下，連續(xù)反應(yīng)100小時(shí)后，可以保持約94%的初始電流密度，表明C@CoP-FeP/FF在模擬海水電解中具有良好的穩(wěn)定性。

從實(shí)驗(yàn)和表征結(jié)果來(lái)看，C@CoP-FeP/FF突出的電催化性能歸因于：1)CoP和FeP異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用可以調(diào)節(jié)催化劑的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，從而提高電催化劑的活性。此外，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙金屬磷化物具有良好的耐氯腐蝕性能，可作為穩(wěn)定的耐腐蝕材料；2)分層多孔的結(jié)構(gòu)可以最大限度地暴露活性位點(diǎn)，有利于電荷和電解質(zhì)的擴(kuò)散；3)碳層不僅可以作為保護(hù)層保護(hù)CoP-FeP納米片免受腐蝕，還可以提高導(dǎo)電性；4)FF可以大大加快界面?zhèn)鲗?dǎo)和傳質(zhì)，進(jìn)一步保證了催化劑在電催化過(guò)程中的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮電極的高性能。總之，這些綜合優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致了C@CoP-FeP/FF電極具有高效的OER/HER性能。本研究為合理設(shè)計(jì)和制造非貴金屬材料作為高效的雙功能催化劑用于可持續(xù)產(chǎn)氫提供了指導(dǎo)。

Bimetallic Phosphide Heterostructure Coupled with Ultrathin Carbon Layer Boosting Overall Alkaline Water and Seawater Splitting, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202206533.

https://doi.org/10.1002/smll.202206533.