非晶态Co3(PO4)2与晶态Co3O4杂化介孔纳米片网络结构研究取进展

据 MaterialsViews报道：电化学析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）在各类清洁与绿色能源存储与转换装置，如电解水器件、光电电解水器件及金属-空气电池等，有广泛的应用。然而由于OER缓慢的动力学反应速率及较高的反应过电势，因此需要高效的电催化剂来促进其在能源转换中的效率。传统贵金属氧化物，如氧化钌（RuO2）和氧化铱（IrO2）虽具有优异的电催化OER活性，但是其低储量和高昂的价格严重限制了该类贵金属催化剂的推广应用，开发具有高活性、长寿命、低成本的催化剂对于OER及其相关技术的发展至关重要。近年来，价格相对低廉的过渡金属钴系材料尤其是其氧化物在该研究领域受到了极大关注。

香港城市大学张文军教授、刘宾博士团队在非贵金属OER电催化剂方面的研究取得重要进展。该团队开发了一种简便且易于批量制备的方法，通过空气中煅烧纳米片网络状Co(OH)1(CO3)0.5 0.11 H2O/C复合物制备了一种由非晶态Co3(PO4)2与晶态Co3O4杂化而成的介孔纳米片网络结构复合电催化剂。Co3(PO4)2-Co3O4催化剂在碱性环境中表现了优异的OER催化性能：达到10 mA cm-2的电流密度仅需要270 mV的过电位, Tafel slope 仅有 39 mV dec-1, 并且在30 h的电流测试中保持稳定，上述性能优于大多数非贵金属催化剂，包括商业化的RuO2催化剂的活性。研究发现在Co3(PO4)2-Co3O4杂化结构中， Co3O4 电子向Co3(PO4)2发生了转移, 促进了水分子通过路易斯酸碱相互作用在Co3O4上的活化，从而增强了杂化催化剂的本质OER催化活性。进一步地，通过对半导体光阳极BiVO4空穴转移的有效促进，Co3(PO4)2-Co3O4复合催化剂还显著增强了其光电催化OER活性及稳定性。修饰了复合催化剂的BiVO4光阳极在0.5 mA cm−2时的电位比未修饰催化剂的电极减小了530 mV， 且1.23 V (vs. RHE）电压下光电流达到3.0 mA cm−2，超过了大多数无机及分子助催化剂修饰的BiVO4光阳极的性能。此项研究表明Co3(PO4)2-Co3O4具有作为电驱动的OER催化剂和太阳能驱动的光电OER助催化剂的能力，从而为设计合成廉价高效的电（光电）催化剂提供了策略和路线。相关论文在线发表在Small（DOI: 10.1002/smll.201701875）。