基于基底参与的铁泡沫上自支撑CoP纳米花的开放资源重建方法，可实现稳定的碱性水分解反应

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Substrate-Involved OER Reconstruction of Self-Supported CoP Nanoflowers on Iron Foam Enables Durable Alkaline Water Splitting

　　

摘要

利用地球上丰富的元素开发出成本低且耐用的电催化剂，对于通过碱性水电解实现可持续的氢气生产至关重要。本研究通过电沉积法制备出负载在铁泡沫上的自支撑钴磷纳米花（CoP/IF），随后对其进行原位磷化处理。得益于这种层状纳米花结构以及催化剂层与导电基底之间的紧密结合，所得到的CoP/IF电极表现出优异的双功能电催化活性：在10 mA cm^–2的电流密度下，其氧析出反应所需的过电位仅为205 mV，而氢析出反应的过电位则为87 mV。当该电极同时被用作阳极和阴极时，基于CoP/IF的电解槽能够在1.52 V和1.71 V的较低电池电压下分别实现10 mA cm^–2和100 mA cm^–2的电流输出，并且在100 mA cm^–2的电流密度下仍能保持稳定运行1200小时，活性保留率可达96%。更为重要的是，通过原位拉曼光谱结合体外表征研究发现，CoP/IF首先作为氧析出反应的预催化剂，随后会发生涉及基底的深度重构，形成CoOOH/FeOOH活性相，而不仅仅是形成较浅的重构表面层。研究结果表明，铁泡沫基底不仅起到了三维导电支架的作用，还在氧析出反应过程中参与了活性相的生成。密度泛函理论计算显示，铁元素融入到重构后的CoOOH/FeOOH异质结构中，能够调节钴原子的电子结构，提升钴d带中心能量，增强氧原子的吸附能力，进而降低决定反应速率的步骤的能量障碍。这项研究为设计高效、耐用且成本低廉的自支撑电极以实现实用的碱性水分解提供了可持续的策略，同时也凸显了泡沫基底在氧析出反应重构及真正活性相生成过程中的重要作用，这一作用往往被忽视。