MoO2-FeP異質結的界面設計用于制氫及生物質電氧化
發布時間：2020-09-03 作者：harry 分享到：
利用太陽能、風能等間歇式能源轉化的低壓“棄電”進行電催化水分解制氫越來越受到人們的關注，氫能作為一種可再生**清潔能源，能夠替代傳統化石燃料。水分解包括兩個半反應：陰極氫氣析出反應（HER）和陽極氧氣析出反應（OER）。與HER相比，OER的反應過程復雜、動力學緩慢，是制約電催化水分解的效率的主要因素。此外，OER的產物O2并不屬于高附加值化學品。為了實現可持續清潔能源發展需求，迫切需要選擇其他更有意義的陽極氧化反應來代替陽極OER反應。生物質是一種以醇或醛主要成分的有機綠色能源，具有低污染、分布廣、儲量豐富及碳中性等優點，被認為是有前途的可持續能源之一。研究表明生物質電氧化反應（BEOR）在反應動力學上的表現要優于OER，并且生物質原料氧化產物（如：羧酸類化合物）多數都是具有高附加值的化學品。因此將HER與BEOR耦合配對，利用**的催化劑以實現同步低壓催化產氫和高附加值化學品的合成是**有意義的，但這仍然是一個挑戰。Adv. Mater., 2020, 32, 202000455
近日，黑龍江大學付宏剛教授團隊報道了通過借鑒POMOF的合成策略，利用納米紡錘型羥基氧化鐵（FeOOH）作為自犧牲基底，通過加入雜多酸（PMo12）和有機配體，在FeOOH上原位形成Mo-Fe有機配合物，經可控磷化成功制備了多孔碳包覆MoO2-FeP異質結（MoO2-FeP@C）催化劑。合成的MoO2-FeP@C具有豐富的活性界面，可同時**催化HER和BEOR。該催化劑表現既出出色的HER活性，在10 mA cm-2處的過電勢僅為103 mV，Tafel斜率為48 mV dec-1。在BEOR活性方面，采用5-羥甲基糠醛（HMF）作為生物質原料時，其轉化率幾乎為100％，選擇性合成2，5-呋喃二甲酸（FDCA）的產率為98.6％，并且展現出**的HMF電氧化循環穩定性。f）MoO2-FeP@C的HRTEM圖像及傅里葉變換圖像；h）單個MoO2-FeP@C納米紡錘體的TEM圖像；a）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的XRD表征；b）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的N2吸附-脫附曲線和孔徑分布；c）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的拉曼光譜；d）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的紅外光譜；e）MoO2-FeP@C和FeP@C的Fe 2p圖譜；f）MoO2-FeP@C和FeP@C的P 2p圖譜；g）MoO2-FeP@C和MoO2@C的Mo 3d圖譜；h）MoO2-FeP@C和MoO2@C的O 1s圖譜；i）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的功函圖。a）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的HER極化曲線；b）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的tafel斜率圖；c）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的電化學阻抗譜（EIS）；d）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的電容圖（CdI）；e）MoO2-FeP@C的HER的穩定性及循環穩定性；f）MoO2-FeP@C的HMF EOR和OER的極化曲線；g）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的HMF EOR極化曲線；h）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的HMF EOR 的Tafel斜率圖；i）MoO2-FeP@C催化不同生物質氧化的極化曲線。b）HMF及其氧化產物的**液相色譜（HPLC）圖譜；d）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C的HMF轉化率選擇性比較；e）MoO2-FeP@C在十次循環穩定性測試中的轉化率，選擇性和法拉第效率；f）MoO2-FeP@C對催化不同有生物質氧化的轉化率，選擇性和法拉第效率；g）MoO2-FeP@C電對用于同步HER和HMF EOR與HER-OER的極化曲線；h）MoO2-FeP@C，FeP@C和MoO2@C電對的HER極化曲線；i）MoO2-FeP@C電對用于同步HER和HMF EOR的裝置圖。a-c）MoO2-FeP，FeP和MoO2的理論模型；d）MoO2-FeP，FeP和MoO2的H2O 吸附能；e）MoO2-FeP，FeP和MoO2的*H吸附能；f）MoO2-FeP，FeP和MoO2的HMF吸附能；g）MoO2-FeP，FeP和MoO2的態密度圖；使用MoO2-FeP@C實現陰極產H2和陽極合成高附加FDCA的電解器在獲得10 mA cm-2電流僅需1.486 V的電壓，并可通過輸出電壓為1.45 V的太陽能電池系統驅動電解，表明該催化劑轉換太陽能等間歇式能源的潛力。另外，MoO2-FeP@C催化的其他生物質氧化反應與HER偶聯均展現出**的催化性能，表明其良好的普適性。XPS分析和理論計算證實了界面處MoO2向FeP的電子轉移，其中FeP上的電子積聚有助于優化HER的H2O和H *吸附能，而MoO2上的空穴積聚有利于改善BEOR活性。Interfacial Engineering of MoO2-FeP Heterojunction for Highly Efficient Hydrogen Evolution Coupled with Biomass Electrooxidation (Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202000455)
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