Overview of Transition Metal Phosphide Catalysts and Hydrogen Production by Electrolyzed Water

doi:10.7503/cjcu20200658

Abstract

Abstract:

Hydrogen energy is a green and efficient secondary energy source. With the help of cheap non-precious metal catalysts， electrolysis of water to produce hydrogen has attracted widespread attention because of its low cost and high efficiency. The transition metal phosphide can expose more coordinated unsaturated surface atoms due to its unique nearly spherical triangular prism unit structure， so it exhibits excellent catalytic activity， strong corrosion resistance and high efficiency in the production of hydrogen from electrolyzed water. This article mainly reviews the preparation methods of transition metal phosphides and their application and performance improvement in electrocatalytic hydrogen evolution. Finally， some problems that need to be solved in transition metal phosphide catalysts are discussed， which is beneficial to the development of other non-noble metal electrolyzed hydrogen production catalysts.

Key words: Hydrogen energy, Hydrogen revolution reaction, Electrocatalysis, Transition metal phosphide

CLC Number:

O643.36

TrendMD:

JI Xiaohao, WANG Zumin, CHEN Xiaoyu, YU Ranbo. Overview of Transition Metal Phosphide Catalysts and Hydrogen Production by Electrolyzed Water[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1377.

Figures/Tables 21

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Transition metal compound	Typical material	Conductivity	Acid?base resistance	Synthesis procedure
TMDs	MoS₂, WS₂	Good along the lamellar, poor in vertical direction	Only active in acid solution	Dangerous or complex exfoliation required
TMOs	MoO₂, Co₃O₄, WO_3-_x	Poor	Poor	Low temperature, low cost
TMCs/TMNs	Mo₂C, Mo₂N	Good	Good	High temperature, incomplete reaction
TMPs	Ni₂P, CoP	Good	Good	Low temperature, special attention to air impermeability
Alloy	NiMo	Good	Poor to medium	Always high temperature required

Transition metal compound	Typical material	Conductivity	Acid?base resistance	Synthesis procedure
TMDs	MoS₂, WS₂	Good along the lamellar, poor in vertical direction	Only active in acid solution	Dangerous or complex exfoliation required
TMOs	MoO₂, Co₃O₄, WO_3-_x	Poor	Poor	Low temperature, low cost
TMCs/TMNs	Mo₂C, Mo₂N	Good	Good	High temperature, incomplete reaction
TMPs	Ni₂P, CoP	Good	Good	Low temperature, special attention to air impermeability
Alloy	NiMo	Good	Poor to medium	Always high temperature required

Synthesis system	Subdivision	Advantage	Disadvantage
Solid phase synthesis	High temperature element direct reaction method, solid phase exchange reaction, metal oxide and phosphorus oxide co?reduction reaction	Professional experimental equipment is not demanding and no additional preparation process is required	The required temperature is relatively high(600―800 ℃); the product size is large, the reaction time is long, and strict sealing is required
	Vapor?solid reaction	Low temperature(300 ℃), simple equipment	The morphology of the product is limited by the morphology of the precursor, and most of the phosphorus source gas reactants are toxic and flammable
Vapor phase synthesis	Metal organic precursor pyrolysis method, chemical vapor deposition method	Temperature and reaction time are lower than solid phase synthesis	Released gases are toxic, and strict sealing is required
Liquid phase synthesis	Liquid reflux method, solvothermal method, hydrothermal method	The reaction temperature is low (<400 ℃), no complicated experimental equipment is needed, and the product size, shape, composition and structure are controllable	More toxic and harmful organic solvents are used to release toxic gases and produce more waste liquid
Other synthetic methods	Electrochemical method, microwave assisted method	Low temperature, fast reaction speed, less harmful products	The size, morphology and structure of the obtained product cannot be finely controlled

Synthesis system	Subdivision	Advantage	Disadvantage
Solid phase synthesis	High temperature element direct reaction method, solid phase exchange reaction, metal oxide and phosphorus oxide co?reduction reaction	Professional experimental equipment is not demanding and no additional preparation process is required	The required temperature is relatively high(600―800 ℃); the product size is large, the reaction time is long, and strict sealing is required
	Vapor?solid reaction	Low temperature(300 ℃), simple equipment	The morphology of the product is limited by the morphology of the precursor, and most of the phosphorus source gas reactants are toxic and flammable
Vapor phase synthesis	Metal organic precursor pyrolysis method, chemical vapor deposition method	Temperature and reaction time are lower than solid phase synthesis	Released gases are toxic, and strict sealing is required
Liquid phase synthesis	Liquid reflux method, solvothermal method, hydrothermal method	The reaction temperature is low (<400 ℃), no complicated experimental equipment is needed, and the product size, shape, composition and structure are controllable	More toxic and harmful organic solvents are used to release toxic gases and produce more waste liquid
Other synthetic methods	Electrochemical method, microwave assisted method	Low temperature, fast reaction speed, less harmful products	The size, morphology and structure of the obtained product cannot be finely controlled

Catalyst	Precursor	Phosphorus source/ atmosphere	Temperature/℃	Time/h	Tafel slope/ (mV·dec^-1)	η₁₀/mV	Ref.
Ni₁₂P₅	Nickel(II) 2,4?pentanedionate	TPP/N₂	300	0.5	63	110	[55]
Ni₂P	Ni(AC)₂	P(SiMe₃)₃/N₂	180	1	41.4	78	[56]
Ni₂P	Ni	TOP	320	2	68	―	[57]
Co₂P	Co?tri?n?octylphosphine	TPP/N₂	350	0.25	45	95	[58]
Co₂P	Co	TOP/Ar	290	0.67	45	95	[59]
	Co		330	1	50	75
Ni₂P	Ni	P	200	48	106.1	131	[60]
MoP	Mo(CO)₆	TOP/Ar	320	2	45	90	[61]
Co₂P	(CH₃COO)₂Co·4H₂O	TPP/N₂	370	0.17	51.7	η₂₀=167	[62]
CoP	Co(acac)₂	TOPO/Ar	355―360	3	48	100	[30]