锌掺杂NiCoP多孔双层阵列电极材料的制备及电催化产氢性能

doi:10.7503/cjcu20210218

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (8): 2483.doi: 10.7503/cjcu20210218

锌掺杂NiCoP多孔双层阵列电极材料的制备及电催化产氢性能

武亚强¹, 刘思明¹, 金顺敬², 严永情¹, 王朝¹(), 陈丽华¹, 苏宝连¹^,³()

^1.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
^2.襄阳职业技术学院, 襄阳 441050
^3.那慕尔大学无机材料化学实验室, 那慕尔 B?5000, 比利时

收稿日期:2021-03-31 出版日期:2021-08-10 发布日期:2021-08-05
通讯作者: 王朝 E-mail:zhao.wang@whut.edu.cn;bao-lian.su@unamur.be
作者简介:苏宝连, 男, 博士, 教授, 主要从事仿生等级孔及生命复合材料方面的研究. E-mail: bao-lian.su@unamur.be
基金资助:
国家自然科学基金(21902122);中国博士后科学基金(2019M652723)

Synthesis of Zn-Doped NiCoP Catalyst with Porous Double-layer Nanoarray Structure and Its Electrocatalytic Properties for Hydrogen Evolution

WU Yaqiang¹, LIU Siming¹, JIN Shunjin², YAN Yongqing¹, WANG Zhao¹(), CHEN Lihua¹, SU Baolian¹^,³()

^1.State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
^2.Xiangyang Polytechnic，Xiangyang 441050，China
^3.Laboratory of Inorganic Materials Chemistry（CMI），University of Namur，Namur B? 5000，Belgium

Received:2021-03-31 Online:2021-08-10 Published:2021-08-05
Contact: WANG Zhao E-mail:zhao.wang@whut.edu.cn;bao-lian.su@unamur.be
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21902122);the Postdoctoral Science Foundation of China(2019M652723)

1. ESM to 20210218.pdf(2478KB)

摘要/Abstract

摘要：

通过水热、原位磷化及HCl选择性刻蚀的方式构建了一种在泡沫镍上生长的新型Zn掺杂NiCoP多孔双层阵列结构, 与传统的单层阵列相比, 顶层纳米叶片阵列在泡沫镍载体上的底层纳米线阵列上均匀生长, 最大限度地暴露出催化的活性位点, 提供了较大的电解液接触面积. 多孔等级结构也加速了氢气泡的释放. 结果表明, 优化后的多孔H-Zn-NiCo-P催化剂在碱性电解液(1 mol/L KOH)中展现出优异的电解水产氢性能. 该材料驱动电流密度10和100 mA/cm²所需要的过电位仅为59和156 mV, Tafel斜率为66 mV/dec, 且表现出良好的电化学稳定性.

关键词: 双层阵列, 多孔结构, 电催化剂, 锌掺杂, 析氢反应

Abstract:

NiCoP is wildly accepted as one of the most potential catalysts for electrocatalytic hydrogen evolution reaction（HER） due to its high catalytic efficiency and low cost. However， the hydrogen bubble formation over catalyst surface during HER largely decreases the catalytic active sites and slows the mass transportation of electrolyte， resulting in a limited catalytic performance. In this paper， Zn-doped NiCoP catalyst with porous double-layer array structure on foam nickel was constructed by hydrothermal， followed with in?situ phospha?ting and HCl selective etching. Compared with the traditional single-layer array， the top nanoleaves array distributes uniformly on the bottom nanowires array， which maximizes the exposed catalytic active sites and provides a larger contact area for electrolyte. Moreover， the porous hierarchy also accelerates hydrogen bubble’s release. As a result， the optimized H-Zn-NiCo-P shows high electrocatalytic activity in alkaline electrolyte （1 mol/L KOH）， with overpotentials of 59 and 156 mV at the current densities of 10 and 100 mA/cm²， respectively. The Tafel slope is 66 mV/dec and it shows excellent electrochemical stability. This research provides new ideas and solutions for the development of electrocatalysts with novel array structure.

Key words: Double-layer array, Porous structure, Electrocatalyst, Zn doping, Hydrogen evolution reaction

中图分类号:

O646

TrendMD:

武亚强, 刘思明, 金顺敬, 严永情, 王朝, 陈丽华, 苏宝连. 锌掺杂NiCoP多孔双层阵列电极材料的制备及电催化产氢性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2483.

WU Yaqiang, LIU Siming, JIN Shunjin, YAN Yongqing, WANG Zhao, CHEN Lihua, SU Baolian. Synthesis of Zn-Doped NiCoP Catalyst with Porous Double-layer Nanoarray Structure and Its Electrocatalytic Properties for Hydrogen Evolution. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2483.

图/表 10

Fig.1 XRD patterns of Zn?NiCo?O/NF?x(A) and Zn?NiCo?P/NF?x(B)

Fig.2 SEM images of bare Ni foam(A) and Zn?NiCo?O/NF?x samples of x=0(B), 0.11(C), 0.22(D), 0.35(E) and 0.50(F)

Fig.3 SEM images of Zn?NiCo?P/NF?x samples of x=0(A), 0.11(B, C), 0.22(D), 0.35(E) and 0.50(F)

Fig.4 SEM images of precursor materials prepared under different hydrothermal time of 2 h(A), 3 h(B), 4 h(C), 5 h(D), 6 h(E) and 8 h(F)

Fig.5 SEM images of H?Zn?NiCo?P/NF?0.22?t samples of t=5 min(A), 15 min(B), 30 min(C) and 60 min(D)

Fig.6 Polarization curves with a scan rate of 2 mV/s(A) and corresponding Tafel plots(B)

Table 1 Comparison of HER performance for various Co-P based electrocatalysts in 1 mol/L KOH

Catalyst	Mass loading/（mg·cm^-2）	η₁₀/mV	η₁₀₀/mV	Tafel slope/（mV·dec^-1）	Ref.
H?Zn?NiCo?P/NF?15	1.53	59	156	66	This work
NiCoP?CoP/NF	1.5	73	183	91.3	［16］
NC?CNT/CoP	1.5	120	225	73	［18］
Mo?NiCoP?3	2	76	148	60	［24］
NC_0.9F_0.1P HHAs/NF	—	122.5	198	54.36	［25］
S?NiCoP NW/CFP	1	120	172	63.3	［28］
N?NiCoP NWs/CFP	0.9	105.1	162.5	59.8	［29］
NiFe LDH@NiCoP/NF	2	120	320	88.2	［30］
NiCoP/NPC	—	80	150	48.9	［31］
Ni_0.7Co_0.3P	0.25	105	270	58	［32］
Co₂P?CC?0.6	0.6	80	185	80	［33］
Co_0.7Fe_0.3P₃ NAs	1.03	167	—	65.1	［34］
Cu@CoP/Cu	—	88	163	66.1	［35］
Al?CoP/NF	6.51	66	350	94	［36］

Fig.7 Nyquist plots(A), electrochemical double?layer capacitance measurements(B), the electrochemical active surface area(ECSA)(C) and the LSV curves normalized to ECSA of different samples(F) in N2 saturated 1.0 mol/L KOHInset of (A) is an equivalent circuit model used to fit the impedance spectra.

Fig.8 Polarization curves of the as?obtained H?Zn?NiCo?P/NF?15 before and after 30000 CV sweeps(A), current density vs. time curves over 24 h of the H?Zn?NiCo?P/NF?15 electrode(B)

Fig.9 SEM(A, B) and TEM(C, D) images of H?Zn?NiCo?P/ NF?15 sample before(A, C) and after 30000 CV sweeps(B, D)Insets of (C) and (D) are HRTEM images.

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