磷化物纳米线/氧化物复合结构的可控制备及电催化析氢性能研究

Hydrogen generation from water splitting is one of the most promising solutions to solve energy crisis, environmental problems, and greenhouse effect. The development of effective and low-cost non-precious metal electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) remains a big challenge for electrolysis hydrogen production and solar-driven hydrogen production. We design the composites between phosphide (MoP、CoP、FeP、Ni2P) nanowires and typical semiconductor oxides (TiO2、CeO2、ZnO), aiming to induce the electronic structure variation of phosphide by oxide interaction, and to accelerate surface dynamics of phosphide by enhanced absorption on the surface of oxide and spillover effect, and therefore realize performance enhancement by these interactions. The research includes the controllable fabrication of phosphide nanowires/oxide composites and the related performance study; the assessment of the influence of oxide on the performance of phosphide, and the intrinsic mechanism; the manners and modulation methods of the interactions between phosphide and oxide in the composites; and the performance optimization of the composites. Our research will offer a novel performance enhancement strategy for HER electrocatalysts, and benefit the understanding and optimization of HER process on the surface of solar-driven hydrogen production devices.

分解水制氢是解决能源危机、环境污染和温室效应等问题最有前景的途径之一。发展高效低成本的析氢催化剂是电解水和光解水制氢器件面临的共同挑战。本项目拟设计磷化物（MoP、CoP、FeP、Ni2P）纳米线和氧化物（TiO2、CeO2、ZnO）的复合结构，希望通过氧化物诱导磷化物电子结构的变化，通过氧化物的表面吸附与转移作用促进磷化物的表面反应动力学，进而研创低成本高活性的磷化物纳米线/氧化物复合结构。本项目将研究磷化物纳米线/氧化物复合结构的组分、形貌和结晶度的可控合成，研究复合结构的电催化性能；分析氧化物对磷化物纳米线电催化性能的影响程度及性能影响对应的内在机理；探索复合结构内部相互作用的规律和调控方式，实施复合结构电催化性能的优化。本研究将为过渡金属化合物提供新的性能调控方法，也为光解水器件助催化剂的选择和表面催化过程的优化提供理论依据。

发展高性能电解水催化剂对于低成本清洁氢能源的获取具有重要的应用价值。本项目选择电催化剂/氧化物复合界面为研究对象，旨在探讨氧化物载体对分解水电催化剂性能的影响。本项目构造磷化钴/二氧化钛复合结构、磷酸钴/二氧化钛复合结构、四氧化三钴/二氧化钛复合结构、氢氧化钴/二氧化钛复合结构和碱式碳酸钴/二氧化钛复合结构等模型复合物并研究其电催化析氢性能，发现此类物质在电催化析氢过程中发生物质变化而使复合物体现出性能活化现象。本项目通过各种原位光谱学手段和密度泛函理论计算确定电催化析氢过程真正的活性物种并归纳活化机理和析氢催化机理，提出系列高价态钴基化合物的原位活化策略构筑系列高效析氢电催化剂。在相关研究成果基础上，还将研究拓展到电化学诱导的材料组分变化对材料强光响应性能的影响。.基于本项目研究结果，项目负责人以通讯作者身份在Nano Energy，Advanced Functional Materials, ACS Catalysis，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces等重要学术期刊发表研究论文24篇；申请国家发明专利6项。参加国内外学术会议1次。