Нанокомпозит графен-фосфореновых структур с фосфидом кобальта – эффективный электрокатализатор выделения водорода в кислой среде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Одними из наиболее перспективных электрокатализаторов реакции выделения водорода с точки зрения соотношения активности, стоимости и долговечности являются материалы, содержащие наночастицы фосфида кобальта. В работе представлен простой и эффективный подход для получения нанокомпозита графен-фосфореновых структур, декорированных наночастицами CoP с размерами 2–5 нм. Нанокомпозит был получен путем электрохимического расщепления черного фосфора с последующим сольвотермальным синтезом, осуществленным в присутствии допированных атомами азота малослойных графеновых структур в растворе, содержащем ионы Co2+. Установлено, что полученный электрокатализатор демонстрирует высокую активность и стабильность в реакции выделения водорода в кислой среде. Для достижения плотности тока 10 мА см–2 требуется перенапряжение ~220 мВ, при этом наклон Тафеля составляет ~63 мВ дек–1. Сделано предположение, что такой результат обусловлен как синергетическим эффектом взаимодействия между графеновыми и фосфореновыми структурами, так и электрокаталитической активностью наноразмерных частиц CoP, присутствующих на краевых участках фосфореновых структур.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. К. Кочергин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kochergin@icp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Р. А. Манжос

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: kochergin@icp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Е. Н. Кабачков

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН

Email: kochergin@icp.ac.ru
Россия, Черноголовка; Черноголовка

И. И. Ходос

Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН

Email: kochergin@icp.ac.ru
Россия, Черноголовка

А. Г. Кривенко

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: kochergin@icp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Huangfu, Z., Hu, H., Xie, N., Zhu, Y.-Q., Chen, H., and Wang, Y., The Heterogeneous Influence of Economic Growth on Environmental Pollution: Evidence from Municipal Data of China, Pet. Sci., 2020, vol. 17, p. 1180. https://doi.org/10.1007/s12182-020-00459-5
  2. Tian, L., Li, Z., Wang, P., Zhai, X., Wang, X., and Li, T., Carbon Quantum Dots for Advanced Electrocatalysis, J. Energy Chem., 2021, vol. 55, p. 279. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.06.057
  3. Do, M.N., Berezina, N.M., Bazanov, M.I., Gyseinov, S.S., Berezin, M.M., and Koifman, O.I., Electrochemical Behavior of a Number of Bispyridyl-Substituted Porphyrins and Their Electrocatalytic Activity in Molecular Oxygen Reduction Reaction, J. Porphyrins Phthalocyanines, 2016, vol. 20, p. 615. https://doi.org/10.1142/S1088424616500437
  4. Sazali, N., Emerging Technologies by Hydrogen: A Review, Int. J. Hydrogen Energy, 2020, vol. 45, p. 18753. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.05.021
  5. Zou, X. and Zhang, Y., Noble Metal-Free Hydrogen Evolution Catalysts for Water Splitting, Chem. Soc. Rev., 2015, vol. 44, p. 5148. https://doi.org/10.1039/C4CS00448E
  6. Popczun, E.J., McKone, J.R., Read, C.G., Biacchi, A.J., Wiltrout, A.M., Lewis, N.S., and Schaak, R.E., Nanostructured Nickel Phosphide as an Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction, J. Am. Chem. Soc., 2013, vol. 135, p. 9267. https://doi.org/10.1021/ja403440e
  7. Li, Y., Sun, Y., Qin, Y., Zhang, W., Wang, L., Luo, M., Yang, H., and Guo, S., Recent Advances on Water-Splitting Electrocatalysis Mediated by Noble-Metal-Based Nanostructured Materials, Adv. Energy Mater., 2020, vol. 10, p. 1903120. https://doi.org/10.1002/aenm.201903120
  8. Ruqia, B. and Choi, S., Catalytic Surface Specificity on Pt and Pt–Ni(OH)2 Electrodes for the Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Electrolytes and Their Nanoscaled Electrocatalysts, ChemSusChem, 2018, vol. 11, p. 2643. https://doi.org/10.1002/cssc.201800781
  9. Liao, F., Jiang, B., Shen, W., Chen, Y., Li, Y., Shen, Y., Yin, K., and Shao, M., Ir-Au Bimetallic Nanoparticle Modified Silicon Nanowires with Ultralow Content of Ir for Hydrogen Evolution Reaction, ChemCatChem, 2019, vol. 11, p. 2126. https://doi.org/10.1002/cctc.201900241
  10. Ma, F., Xu, C., Lyu, F., Song, B., Sun, S., Li, Y.Y., Lu, J., and Zhen, L., Construction of FeP Hollow Nanoparticles Densely Encapsulated in Carbon Nanosheet Frameworks for Efficient and Durable Electrocatalytic Hydrogen Production, Adv. Sci., 2019, vol. 6, p. 1801490. https://doi.org/10.1002/advs.201801490
  11. Kakati, N., Maiti, J., Lee, S.H., Jee, S.H., Viswanathan, B., and Yoon, Y.S., Anode Catalysts for Direct Methanol Fuel Cells in Acidic Media: Do We Have Any Alternative for Pt or Pt–Ru? Chem. Rev., 2014, vol. 114, p. 12397. https://doi.org/10.1021/cr400389f
  12. Antolini, E., Palladium in Fuel Cell Catalysis, Energy Environ. Sci., 2009, vol. 2, p. 915. https://doi.org/10.1039/b820837a
  13. Faber, M.S. and Jin, S., Earth-Abundant Inorganic Electrocatalysts and Their Nanostructures for Energy Conversion Applications, Energy Environ. Sci., 2014, vol. 7, p. 3519. https://doi.org/10.1039/C4EE01760A
  14. Zeng, M. and Li, Y., Recent Advances in Heterogeneous Electrocatalysts for the Hydrogen Evolution Reaction, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 14942. https://doi.org/10.1039/C5TA02974K
  15. Liu, Q., Tian, J., Cui, W., Jiang, P., Cheng, N., Asiri, A.M., and Sun, X., Carbon Nanotubes Decorated with CoP Nanocrystals: A Highly Active Non-Noble-Metal Nanohybrid Electrocatalyst for Hydrogen Evolution, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, vol. 53, p. 6710. https://doi.org/10.1002/anie.201404161
  16. Yu, S.H. and Chua, D.H.C., Toward High-Performance and Low-Cost Hydrogen Evolution Reaction Electrocatalysts: Nanostructuring Cobalt Phosphide (CoP) Particles on Carbon Fiber Paper, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, p. 14777. https://doi.org/10.1021/acsami.8b02755
  17. Yan, L., Cao, L., Dai, P., Gu, X., Liu, D., Li, L., Wang, Y., and Zhao, X., Metal-Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel-Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting, Adv. Funct. Mater., 2017, vol. 27, p. 1703455. https://doi.org/10.1002/adfm.201703455
  18. Yu, D., Ilango, P.R., Han, S., Ye, M., Hu, Y., Li, L., and Peng, S., Metal-Organic Framework Derived Co@NC/CNT Hybrid as a Multifunctional Electrocatalyst for Hydrogen and Oxygen Evolution Reaction and Oxygen Reduction Reaction, Int. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 32054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.149
  19. Lu, M., Li, L., Chen, D., Li, J., Klyui, N.I., and Han, W., MOF-Derived Nitrogen-Doped CoO@CoP Arrays as Bifunctional Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting, Electrochim. Acta, 2020, vol. 330, p. 135210. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135210
  20. Sun, T., Dong, J., Huang, Y., Ran, W., Chen, J., and Xu, L., Highly Active and Stable Electrocatalyst of Ni2P Nanoparticles Supported on 3D Ordered Macro-/Mesoporous Co–N-Doped Carbon for Acidic Hydrogen Evolution Reaction, J. Mater. Chem. A, 2018, vol. 6, p. 12751. https://doi.org/10.1039/C8TA03672A
  21. Yang, S., Zhang, K., Ricciardulli, A.G., Zhang, P., Liao, Z., Lohe, M.R., Zschech, E., Blom, P.W.M., Pisula, W., Müllen, K., and Feng, X., A Rational Delamination Strategy towards Defect-Free, High- Mobility, Few-Layered Black Phosphorus Flakes, Angew. Chem., 2018, vol. 130, p. 4767. https://doi.org/10.1002/ange.201801265
  22. Cheng, J., Gao, L., Li, T., Mei, S., Wang, C., Wen, B., Huang, W., Li, C., Zheng, G., Wang, H., and Zhang, H., Two-dimensional black phosphorus nanomaterials: emerging advances in electrochemical energy storage science, Nano-Micro Lett., 2020, vol. 12, p. 1. https://doi.org/10.1007/s40820-020-00510-5
  23. Baboukani, A.R., Khakpour, I., Drozd, V., and Wang, C., Liquid-Based Exfoliation of Black Phosphorus into Phosphorene and Its Application for Energy Storage Devices, Small Struct., 2021, vol. 2, p. 2000148. https://doi.org/10.1002/sstr.202000148
  24. Liu, H., Hu, K., Yan, D., Chen, R., Zou, Y., Liu, H., and Wang, S., Recent advances on black phosphorus for energy storage, catalysis, and sensor applications, Adv. Mater., 2018, vol. 30, p. 1800295. https://doi.org/10.1002/adma.201800295
  25. Mei, J., Liao, T., and Sun, Z., Opportunities and Challenges of Black Phosphorus for Electrocatalysis and Rechargeable Batteries, Adv. Sustain. Syst., 2022, vol. 6, p. 2200301. https://doi.org/10.1002/adsu.202200301
  26. Gao, W., Zhou, Y., Wu, X., Shen, Q., Ye, J., and Zou, Z., State-of-the-Art Progress in Diverse Black Phosphorus-Based Structures: Basic Properties, Synthesis, Stability, Photo- and Electrocatalysis-Driven Energy Conversion, Adv. Funct. Mater., 2021, vol. 31, p. 2005197. https://doi.org/10.1002/adfm.202005197
  27. Konev, D.V., Kotkin, A.S., Kochergin, V.K., Manzhos, R.A., and Krivenko, A. G., Effect of graphene surface functionalization on the oxygen reduction reaction in alkaline media, Mendeleev Commun., 2020, vol. 30, p. 472. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2020.07.021
  28. Yuan, Z., Li, J., Yang, M., Fang, Z., Jian, J., Yu, D., Chen, X., and Dai, L., Ultrathin Black Phosphorus-on-Nitrogen Doped Graphene for Efficient Overall Water Splitting: Dual Modulation Roles of Directional Interfacial Charge Transfer, J. Am. Chem. Soc., 2019, vol. 141, p. 4972. https://doi.org/10.1021/jacs.9b00154
  29. Kochergin, V.K., Komarova, N.S., Kotkin, A.S., Manzhos, R.A., Vasiliev, V.P., and Krivenko, A.G., Plasma Electrochemical Synthesis of Graphene-Phosphorene Composite and Its Catalytic Activity towards Hydrogen Evolution Reaction, C, 2022, vol. 8, p. 79. https://doi.org/10.3390/c8040079
  30. Krivenko, A.G., Manzhos, R.A., Kotkin, A.S., Kochergin, V.K., Piven, N.P., and Manzhos, A.P., Production of Few-Layer Graphene Structures in Different Modes of Electrochemical Exfoliation of Graphite by Voltage Pulses, Instrum. Sci. Technol., 2019, vol. 47, p. 535. https://doi.org/10.1080/10739149.2019.1607750
  31. Krivenko, A.G., Manzhos, R.A., Kochergin, V.K., Malkov, G.V., Tarasov, A.E., and Piven, N.P., Plasma electrochemical synthesis of few-layer graphene structures for modification of epoxy binder, High Energ. Chem., 2019, vol. 53, p. 254. https://doi.org/ 10.1134/S0018143919030111
  32. Kochergin, V.K., Manzhos, R.A., Khodos, I.I., and Krivenko, A.G., One-Step Synthesis of Nitrogen-Doped Few-Layer Graphene Structures Decorated with Mn1.5Co1.5O4 Nanoparticles for Highly Efficient Electrocatalysis of Oxygen Reduction Reaction, Mendeleev Commun., 2022, vol. 32, p. 492. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.07.020
  33. Wang, J., Liu, D., Huang, H., Yang, N., Yu, B., Wen, M., Wang, X., Chu, P.K., and Yu, X.-F., In-Plane Black Phosphorus/Dicobalt Phosphide Heterostructure for Efficient Electrocatalysis, Angew. Chem., 2018, vol. 130, p. 2630. https://doi.org/10.1002/ange.201710859
  34. Ha, D.-H., Moreau, L.M., Bealing, C.R., Zhang, H., Hennig, R.G., and Robinson, R.D., The Structural Evolution and Diffusion during the Chemical Transformation from Cobalt to Cobalt Phosphide Nanoparticles, J. Mater. Chem., 2011, vol. 21, p. 11498. https://doi.org/10.1039/c1jm10337g
  35. Liu, T., Yan, X., Xi, P., Chen, J., Qin, D., Shan, D., Devaramani, S., and Lu, X., Nickel–Cobalt Phosphide Nanowires Supported on Ni Foam as a Highly Efficient Catalyst for Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, p. 14124. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.04.116
  36. Kotkin, A.S., Kochergin, V.K., Kabachkov, E.N., Shulga, Y.M., Lobach, A.S., Manzhos, R.A., and Krivenko, A.G., One-Step Plasma Electrochemical Synthesis and Oxygen Electrocatalysis of Nanocomposite of Few-Layer Graphene Structures with Cobalt Oxides, Mater. Today Energy, 2020, vol. 17, p. 100459. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100459
  37. Pan, Y., Liu, Y., Zhao, J., Yang, K., Liang, J., Liu, D., Hu, W., Liu, D., Liu, Y., and Liu, C., Monodispersed Nickel Phosphide Nanocrystals with Different Phases: Synthesis, Characterization and Electrocatalytic Properties for Hydrogen Evolution, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 1656. https://doi.org/10.1039/C4TA04867A
  38. Huang, Z., Chen, Z., Chen, Z., Lv, C., Meng, H., and Zhang, C., Ni12P5 Nanoparticles as an Efficient Catalyst for Hydrogen Generation via Electrolysis and Photoelectrolysis, ACS Nano, 2014, vol. 8, p. 8121. https://doi.org/10.1021/nn5022204
  39. Grosvenor, A.P., Wik, S.D., Cavell, R.G., and Mar, A., Examination of the Bonding in Binary Transition-Metal Monophosphides MP (M = Cr, Mn, Fe, Co) by X-Ray Photoelectron Spectroscopy, Inorg. Chem., 2005, vol. 44, p. 8988. https://doi.org/10.1021/ic051004d
  40. Li, X., Ma, J., Luo, J., Cheng, S., Gong, H., Liu, J., Xu, C., Zhao, Z., Sun, Y., Song, W., Li, K., and Li, Z., Porous N, P Co-Doped Carbon-Coated Ultrafine Co2P Nanoparticles Derived from DNA: An Electrocatalyst for Highly Efficient Hydrogen Evolution Reaction, Electrochim. Acta, 2021, vol. 393, p. 139051. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139051
  41. Briggs, D. and Seah, M.P., Practical Surface Analysis: By Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy, 2nd ed., JohnWiley & Sons, Ltd.: Chichester, UK, 1990. 674 p.
  42. Lv, X., Ren, J., Wang, Y., Liu, Y., and Yuan, Z.Y., Well-defined phase-controlled cobalt phosphide nanoparticles encapsulated in nitrogen-doped graphitized carbon shell with enhanced electrocatalytic activity for hydrogen evolution reaction at all-pH, ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, vol. 7, p. 8993. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b01263
  43. Zhang, X.Y., Guo, B.Y., Chen, Q.W., Dong, B., Zhang, J.Q., Qin, J.F., Xie, J.Y., Yang, M., Wang, L., Chai, Y.M., and Liu, C.G., Ultrafine and highly-dispersed bimetal Ni2P/Co2P encapsulated by hollow N-doped carbon nanospheres for efficient hydrogen evolution, Int. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 14908. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.108
  44. Chen, T., Ye, B., Dai, H., Qin, S., Zhang, Y., and Yang, Q., Ni-doped CoP/Co2P nanospheres as highly efficient and stable hydrogen evolution catalysts in acidic and alkaline mediums, J. Solid State Chem., 2021, vol. 301, p. 122299. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2021.122299
  45. Yang, S., Chen, L., Wei, W., Lv, X., and Xie, J., CoP nanoparticles encapsulated in three-dimensional N-doped porous carbon for efficient hydrogen evolution reaction in a broad pH range, Appl. Surf. Sci., 2019, vol. 476, p. 749. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.131
  46. Liao, L., Zhu, J., Bian, X., Zhu, L., Scanlon, M.D., Girault, H. H., and Liu, B., MoS2 formed on mesoporous graphene as a highly active catalyst for hydrogen evolution, Adv. Funct. Mater., 2013, vol. 23, p. 5326. https://doi.org/10.1002/adfm.201300318

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгенограмма нанокомпозита CoP/ЭРЧФ/N-МГС, а также литературные данные для CoP, ЧФ и графита, согласно PDF-картам № 01-089-2598, № 01-074-1878 и № 00-056-0159 соответственно

Скачать (120KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ- (а) и ПЭМ- (б, в) изображения нанокомпозита CoP/ЭРЧФ/N-МГС

Скачать (557KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Co 2p (a) и P 2p (б) РФЭ-спектры высокого разрешения нанокомпозита CoP/ЭРЧФ/N-МГС

Скачать (213KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Вольт-амперные кривые для CoP/ЭРЧФ/N-МГС (1), CoP/ЭРЧФ (2), ЭРЧФ (3) измеренные в насыщенном Ar растворе 0.5 М H2SO4 при ν = 10 мВ/с (a); cоответствующие зависимости Тафеля для CoP/ЭРЧФ/N-МГС (1), CoP/ЭРЧФ (2), ЭРЧФ (3) (б)

Скачать (166KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Вольт-амперные кривые для нанокомпозита CoP/ЭРЧФ/N-МГС, зарегистрированные до (1) и после 500 циклов (2) сканирования потенциала

Скачать (73KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024