ACB View: Interfacial Engineering of Co Nanoparticles/Co2C Nanowires Boosts Overall Water Splitting Kinetics
文章信息
Co納米顆粒/Co2C納米線間的界面工程促進水分解動力學
第一作者：王鵬彥
通訊作者：木士春*，劉蘇莉*，肖金生*
單位：武漢理工大學，南京曉莊學院
研究背景
諸如風能、水力發電、太陽能等可再生能源可用性波動的瓶頸已經推動了對能量轉換和儲存技術的迫切需求。電解水被認為是一種將可再生能源轉化為可存儲且碳中性的氫能的有前途的策略。原理上講，電解水過程中水分子通過氧析出反應（OER）和氫析出反應（HER）分解為氧氣和氫氣。然而，目前電解水技術受限于OER和HER緩慢的動力學過程，因此迫切需要開發出高活性的雙功能電催化劑以促進水分解動力學。
文章簡介
基于此，來自武漢理工大學的木士春教授、肖金生教授與南京曉莊學院的劉蘇莉教授合作，在國際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上發表題為“Interfacial Engineering of Co Nanoparticles/Co2C Nanowires Boosts Overall Water Splitting Kinetics”的研究文章。該文章在理論預測的基礎上合成了Co納米顆粒/Co2C納米線界面結構，并探究了其在水分解過程的催化活性。
本文要點
要點一：密度泛函理論（DFT）預測活性趨勢
DFT計算結果表明Co-Co2C界面在費米能級處呈現出高于Co和Co2C的態密度值，說明兩者的耦合有利于提升電子導電性。此外，OER中間體吸附和氫吸附的吉布斯自由能計算結果表明界面工程能有效降低反應能壘，從而促進水分解動力學。
圖1. 基于態密度及OER中間體吸附和氫吸附吉布斯自由能的理論計算。
要點二：構筑納米線表面修飾納米顆粒的界面結構
實驗上，通過水熱后退火處理的兩步法制備了Co-Co2C異質結構。借助XRD、FESEM、HRTEM、EDX mappings及酸洗處理等方法，證明了金屬Co以納米顆粒的形式修飾于Co2C納米線表面，形成了具有協同效應的異質界面結構。
圖2. Co-Co2C/CC催化劑的合成示意圖及結構表征。
要點三：界面結構呈現出出色的催化活性
如DFT計算所預測的，受益于豐富的活性位點、出色的固有活性及適宜的動力學過程，Co-Co2C/CC材料在堿性介質中對OER（261 mV @ 10 mA cm-2）和HER（96 mV @ 10 mA cm-2）表現出出色的催化活性。重要的是，用其組裝的堿性電解槽不僅呈現出出色的水分解效率，而且能被商業太陽能電池所驅動。
圖3. Co-Co2C/CC催化劑的OER活性探究。
圖4. Co-Co2C/CC催化劑的HER活性探究。
本文鏈接
Interfacial Engineering of Co Nanoparticles/Co2C Nanowires Boosts Overall Water Splitting Kinetics
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321004604
通訊作者介紹
木士春 教授。
武漢理工大學學科首席教授，博士生導師。主要從事質子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件、電化學產氫、鋰離子電池材料和碳納米材料等研究工作。目前，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等國內外期刊上發表250余篇SCI學術論文，申請國家發明專利近102件，其中授權84件。
劉蘇莉 教授。
2014年畢業于南京師范大學獲理學博士學位，2019-2020年赴武漢理工大學木士春教授實驗室進行為期一年的學術訪問研究，現為南京曉莊學院教授。主要從事新能源材料及催化劑等相關研究。以第一作者或通訊作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、Adv. Sci.、Appl. Catal. B Environ.等國際期刊發表SCI論文40余篇。
肖金生 教授。
武漢理工大學教授，加拿大三河城魁北克大學（UQTR）氫能研究所客座教授。主要從事氫能燃料電池電動汽車系統建模；氫氣純化、儲存與加注過程優化；電動汽車動力電池熱管理與安全等相關研究。主持和參加20余項科研項目，其中國家科技攻關項目、國家自然科學基金項目、國際合作項目8項，發表SCI論文近50篇。