Doping Regulation in Transition Metal Phosphides for Hydrogen Evolution Catalysts

doi:10.7503/cjcu20220544

Abstract

Abstract:

Due to their excellent catalytic properties， transition metal phosphides have become the most promising and inexpensive electrocatalytic materials to replace noble metals in electrocatalytic water splitting for hydrogen production. Element doping is an efficient way to greatly improve their activity and stability. This review revisits recent research on regulating the properties of transition metal phosphides through doping modifications. The types of elements（metal doping， non-metal doping， co-doping）， the number of elements（single element doping， multi-element doping， high entropy doping）， and the doping position are discussed in detail. And how these factors tune the electronic structure of transition metal phosphides are studied. Through the combination of experimental results and theoretical calculation， the effects of doped elements on hydrogen adsorption intensity， water adsorption and dissociation， charge transfer and transmission were analyzed. Moreover， the structure-activity relationship between doped structure， electronic structure， and hydrogen evolution reaction（HER） catalytic performance was obtained. Finally， we put forward the remaining challenges and future research directions of related research.

Key words: Transition metal phosphide, Doping, Electrocatalysis, Hydrogen evolution reaction（HER）, Electronic structure

CLC Number:

O643.36

TrendMD:

WANG Zumin, MENG Cheng, YU Ranbo. Doping Regulation in Transition Metal Phosphides for Hydrogen Evolution Catalysts[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220544.

Figures/Tables 18

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Catalyst	Electrolyte	Overpotential/mV	Tafel slop/ （mV·dec^?1）	TOF/s^?1	Stability	Ref.
Ni?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	144（10 mA/cm²）	52	0.1（164 mV）	21 h	［44］
Fe?CoP	1 mol/L KOH	92（10 mA/cm²）	71		21 h	［44］
Fe?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	198（10 mA/cm²）	68			［44］
Ni?CoP	1 mol/L KOH	173（10 mA/cm²）	87			［44］
Mn?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	198（10 mA/cm²）	65			［44］
Al?CoP/CC	1 mol/L KOH	173（10 mA/cm²）	76			［44］
Ni?CoP	1 mol/L PBS	125（10 mA/cm²）	103	0.24 ?（125 mV）	>20 h（1000 cycles）	［45］
Zn?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	39（10 mA/cm²）	39		22 h	［46］
V?CoP	1 mol/L KOH	46（10 mA/cm²）/115（100 mA/cm²）	58		24 h	［52］
Al?CoP/CC	0.5 mol/L H₂SO₄	23（10 mA/cm²）	43	0.27（100 mV）	>80 h（1000 cycles）	［47］
Cr?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	56（10 mA/cm²）	56			［48］
Mn?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	46（10 mA/cm²）	53			［48］
Fe?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	31（10 mA/cm²）	52	0.282（100 mV）	20 h	［48］
Co?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	31（10 mA/cm²）	47	0.381（100 mV）	20 h	［48］
Mn?FeP	0.5 mol/L H₂SO₄	175（10 mA/cm²）	103.6			［23］
Co?FeP	0.5 mol/L H₂SO₄	126（10 mA/cm²）	63.6			［23］
Ni?FeP	0.5 mol/L H₂SO₄	169（10 mA?cm^-2）	86.9			［23］

Catalyst	Electrolyte	Overpotential/mV	Tafel slop/ （mV·dec^?1）	TOF/s^?1	Stability	Ref.
Ni?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	144（10 mA/cm²）	52	0.1（164 mV）	21 h	［44］
Fe?CoP	1 mol/L KOH	92（10 mA/cm²）	71		21 h	［44］
Fe?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	198（10 mA/cm²）	68			［44］
Ni?CoP	1 mol/L KOH	173（10 mA/cm²）	87			［44］
Mn?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	198（10 mA/cm²）	65			［44］
Al?CoP/CC	1 mol/L KOH	173（10 mA/cm²）	76			［44］
Ni?CoP	1 mol/L PBS	125（10 mA/cm²）	103	0.24 ?（125 mV）	>20 h（1000 cycles）	［45］
Zn?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	39（10 mA/cm²）	39		22 h	［46］
V?CoP	1 mol/L KOH	46（10 mA/cm²）/115（100 mA/cm²）	58		24 h	［52］
Al?CoP/CC	0.5 mol/L H₂SO₄	23（10 mA/cm²）	43	0.27（100 mV）	>80 h（1000 cycles）	［47］
Cr?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	56（10 mA/cm²）	56			［48］
Mn?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	46（10 mA/cm²）	53			［48］
Fe?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	31（10 mA/cm²）	52	0.282（100 mV）	20 h	［48］
Co?Ni₂P	0.5 mol/L H₂SO₄	31（10 mA/cm²）	47	0.381（100 mV）	20 h	［48］
Mn?FeP	0.5 mol/L H₂SO₄	175（10 mA/cm²）	103.6			［23］
Co?FeP	0.5 mol/L H₂SO₄	126（10 mA/cm²）	63.6			［23］
Ni?FeP	0.5 mol/L H₂SO₄	169（10 mA?cm^-2）	86.9			［23］

Catalyst	Electrolyte	Overpotential/mV	Tafel slop/ （mV·dec^?1）	TOF/s^?1	Stability	Ref.
S?Ni₅P₄ NPA/CP	0.5 mol/L H₂SO₄	56（10 mA/cm²）	43.6	0.11（100 mV）	100 h	［73］
		105（100 mA/cm²）
S?Co₂P@NF	1 mol/L KOH	105（10 mA/cm²）	89	0.127（350 mV）	20 h	［75］
		192（100 mA/cm²）
S?CoP@NF	1 mol/L KOH	109（10 mA/cm²）	79	0.23（350 mV）	20 h	［74］
		185（100 mA/cm²）
N?Co₂P/CC	0.5 mol/L H₂SO₄	27（10 mA/cm²）	45		3000 cycles	［78］
	1 mol/L KOH	34（10 mA/cm²）	51
	1 mol/L PBS	42（10 mA/cm²）	68
N?Co₂P	1 mol/L KOH	58（10 mA/cm²）	75		5000 cycles	［79］
N?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	42（10 mA/cm²）	41.2	0.0199（50 mV）	5000 cycles， 20 h	［76］
O?CoP	1 mol/L KOH	98（10 mA/cm²）	59.9		15 h， 2000 cycles	［80］
B?CoP/CNT	0.5 mol/L H₂SO₄	39（10 mA/cm²）	50		5000 cycles， 100 h	［81］
	1 mol/L KOH	56（10 mA/cm²）	69
	1 mol/L PBS	79（10 mA/cm²）	80
Se?CoP	1 mol/L KOH	41（10 mA/cm²）	46	0.158（200 mV）	2000 cycles	［82］
NiP_1.93Se_0.07/CP	0.5 mol/L H₂SO₄	84（10 mA/cm²）	41	ca. 0.8（100 mV）	14 h	［83］

Catalyst	Electrolyte	Overpotential/mV	Tafel slop/ （mV·dec^?1）	TOF/s^?1	Stability	Ref.
S?Ni₅P₄ NPA/CP	0.5 mol/L H₂SO₄	56（10 mA/cm²）	43.6	0.11（100 mV）	100 h	［73］
		105（100 mA/cm²）
S?Co₂P@NF	1 mol/L KOH	105（10 mA/cm²）	89	0.127（350 mV）	20 h	［75］
		192（100 mA/cm²）
S?CoP@NF	1 mol/L KOH	109（10 mA/cm²）	79	0.23（350 mV）	20 h	［74］
		185（100 mA/cm²）
N?Co₂P/CC	0.5 mol/L H₂SO₄	27（10 mA/cm²）	45		3000 cycles	［78］
	1 mol/L KOH	34（10 mA/cm²）	51
	1 mol/L PBS	42（10 mA/cm²）	68
N?Co₂P	1 mol/L KOH	58（10 mA/cm²）	75		5000 cycles	［79］
N?CoP	0.5 mol/L H₂SO₄	42（10 mA/cm²）	41.2	0.0199（50 mV）	5000 cycles， 20 h	［76］
O?CoP	1 mol/L KOH	98（10 mA/cm²）	59.9		15 h， 2000 cycles	［80］
B?CoP/CNT	0.5 mol/L H₂SO₄	39（10 mA/cm²）	50		5000 cycles， 100 h	［81］
	1 mol/L KOH	56（10 mA/cm²）	69
	1 mol/L PBS	79（10 mA/cm²）	80
Se?CoP	1 mol/L KOH	41（10 mA/cm²）	46	0.158（200 mV）	2000 cycles	［82］
NiP_1.93Se_0.07/CP	0.5 mol/L H₂SO₄	84（10 mA/cm²）	41	ca. 0.8（100 mV）	14 h	［83］

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