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水電解是一種先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，用于生產(chǎn)清潔和可持續(xù)的化學(xué)燃料H2，可潛在地存儲(chǔ)大量但間歇性的可再生能源。由于完全分解水的催化劑的上升反應(yīng)動(dòng)力學(xué)需要相當(dāng)高的電壓來催化與電解電流的反應(yīng)，極大地降低了分解效率。因此，迫切需要合理開發(fā)特別高效的非貴金屬催化劑來大大提高效率，以促進(jìn)陰極析氫和陽極析氧反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。目前，大多數(shù)催化劑只能在低電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行，更不用說在商業(yè)上的應(yīng)用。在這方面，迫切需要在相同的電解質(zhì)中同時(shí)構(gòu)建具有優(yōu)異的HER和OER活性的單一雙功能催化劑。

近日，報(bào)告了一種在泡沫鎳上由鐵和磷化鎳構(gòu)成的混合FeP/Ni2P催化劑，F(xiàn)eP/Ni2P具有很好的OER和HER催化活性，其性能優(yōu)于大多數(shù)具有類似功能的催化劑，并且還具有優(yōu)異的完全分解水能力。具體而言，F(xiàn)eP/Ni2P混合物對(duì)HER具有良好的催化性能（-10 mA cm-2時(shí)電壓為-14 mV），優(yōu)于貴金屬Pt催化劑（-10 mA cm-2時(shí)電壓為-57mV）。同時(shí)，其OER具有最低過電位（10 mA cm-2時(shí)過電位為154mV），性能超過了IrO2催化劑（10 mA cm-2時(shí)過電位為281 mV）。

此外，將這種雙功能催化劑直接作為陽極和陰極電極集成在堿性電解槽中，并證明在10 mA cm-2處的完全水分解電壓為1.42 V和在500 mA cm-2處的完全水分解電壓為1.72 V，經(jīng)過40小時(shí)的耐久性測(cè)試，分解電壓無衰減，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前工業(yè)催化劑的性能，工業(yè)催化劑在400 mA cm-2處的完全水分解電壓需要2.40 V。相關(guān)成果以題為“High-performance bifunctional porous non-noble metal phosphide catalyst for overall water splitting”發(fā)表在Nature Communications上。

a.泡沫Ni上負(fù)載的FeP/Ni2P納米粒子的低倍放大SEM圖像。比例尺，5μm；

b.泡沫Ni上負(fù)載的FeP/Ni2P納米粒子的高倍SEM圖像。比例尺，200納米；

c.FeP/Ni2P催化劑的SAED圖案。比例尺，2 1/nm；

d.FeP/Ni2P催化劑的HRTEM圖像。比例尺，2nm；

e.FeP/Ni2P催化劑的TEM圖和相應(yīng)的EDX元素分布圖。比例尺，100nm；

f.FeP/Ni2P催化劑的XPS分析；

g.FeP/Ni2P催化劑的XRD圖譜（沒有顯示Ni峰的完整強(qiáng)度，以便于更好地觀察催化劑的峰）。

a.在不同催化劑上記錄的極化曲線圖;

b.a中曲線的放大圖；

c.a中不同催化劑相應(yīng)的Tafel圖；

d.比較FeP/Ni2P催化劑和現(xiàn)有的OER催化劑在10 mA cm-2所需的過電位；

e.比較FeP/Ni2P催化劑和現(xiàn)有的OER催化劑在300 mV時(shí)的電流密度；

f.Ni2P和FeP/Ni2P催化劑的雙層電容（Cdl）測(cè)量；

g.在加速耐久性試驗(yàn)5000次循環(huán)之前和之后的FeP/Ni2P的循環(huán)伏安曲線曲線；

h.FeP/Ni2P在恒電流密度100 mA cm-2時(shí)的計(jì)時(shí)-電位曲線圖。電解質(zhì)：1M KOH。

a.不同催化劑的HER極化曲線圖；

b.a中不同催化劑相應(yīng)的塔菲爾圖；

c.Ni2P和FeP/Ni2P催化劑的雙層電容（Cdl）測(cè)量；

d.比較FeP/Ni2P催化劑和現(xiàn)有的HER催化劑在10 mA cm-2所需的過電位；

e.比較FeP/Ni2P催化劑和現(xiàn)有的OER催化劑在-200 mV時(shí)的電流密度；

f .FeP/Ni2P催化劑在5000循環(huán)實(shí)驗(yàn)前后的極化曲線；

g.FeP/Ni2P在恒電流密度-100 mA cm-2時(shí)的計(jì)時(shí)-電位曲線圖。電解質(zhì)：1M KOH；

h.ΔGH為自由能圖，與Ni2P和基準(zhǔn)Pt催化劑相比，F(xiàn)eP/Ni2P催化劑上在pH = 14時(shí)的氫吸附自由能。電解質(zhì)：1M KOH。

a雙電極結(jié)構(gòu)中FeP/Ni2P和IrO2 -Pt偶聯(lián)催化劑的極化曲線；

b.a中在低電流密度區(qū)域的放大圖；

c.比較在不同水堿性電解槽中的10 mA cm-2電流密度時(shí)的電池電壓；

d.比較在不同水堿性電解槽中的100 mA cm-2電流密度時(shí)的電池電壓；

e.比較FeP/Ni2P和現(xiàn)有的非貴金屬雙功能催化劑在1.7V下的電流密度；

f.FeP/Ni2P催化劑分別在30，100和500 mA cm-2下約40小時(shí)的催化穩(wěn)定性。電解質(zhì)：1M KOH。

總之，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種在3D泡沫Ni上的FeP/Ni2P混合催化劑，該催化劑被證明是用于完全水分解的優(yōu)異雙功能催化劑，在相同的堿性電解液中表現(xiàn)出極高的OER和HER活性。實(shí)際上，它需要非常低的電壓（1.42 V）就能在堿性水電解槽中提供10 mA cm-2電流密度，而在500 mA cm-2的電流密度下，它僅需要1.72 V的電壓，比任何報(bào)道的雙功能催化劑低，并且在500 mA cm-2的電流密度下保持其優(yōu)異的催化穩(wěn)定性超過40小時(shí)，為大規(guī)模氫氣生成鋪平了道路。