原位合成高效水解制氢催化剂-硼化钴纳米阵列

据Materials Views网站新闻报道：燃烧化石燃料引起的全球能源危机和环境污染促使研究人员寻找清洁的可再生能源，而电催化全分解水产生氢气和氧气是解决这一能源环境问题的潜在策略。然而，水的分解在热力学上是一个非常困难的反应历程，它通常需要较高的过电位才能同时实现析氢反应（HER）和析氧反应（OER），这极大地阻碍了电催化全分解水的发展。因此，开发高效水分解催化剂具有很大的吸引力。

近年来，基于过渡金属的双功能催化剂（包含它的合金、氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物等）的研究已经取得很大的成功，有望取代传统的贵金属电催化剂。过渡金属硼化物因其具有一系列吸引人的物理化学特性使之成为一个重要的科学技术研究课题。近年来，一些研究结果表明过渡金属硼化物已经成为一种有效的水分解催化剂，例如硼化钼（MoB）、硼化钴（Co-B）、硼化镍（Ni-B）、钴掺杂的硼化镍（Co-Ni-B）等。然而，以目前的合成方法制备出的过渡金属硼化物大多是颗粒或块状的无规则形貌结构。它普遍存在的表面暴露活性位点低和串联电阻大等缺点，抑制了其电催化性能的进一步提升。直接生长在纳米阵列上的催化剂是一种更有效的催化剂，它是一种不需要聚合物连接的自组装电极，具有更强的稳定性和更低的串联电阻，同时具有更多的活性位点和更高的扩散速率等优点。因此，制备一种Co-B纳米阵列电极是一项非常迫切和具有挑战性的工作。

近日，四川大学化学学院孙旭平教授课题组采用新颖的原位生长法，开发了一种新型高效的双功能电催化剂。这种电催化剂是由生长在钛网上的氧化亚钴（CoO）纳米阵列通过碱性的硼氢化钠溶液处理制备出一种Co-B纳米颗粒原位生长在CoO纳米阵列表面上的Co-B包裹CoO（Co-B@CoO）纳米阵列。与一般的电催化剂相比，Co-B@CoO纳米阵列具有高暴露的电催化反应活性位点，相比于CoO/Ti纳米阵列，Co-B@CoO具有更优异的催化性能（50 mA·cm^-2电流密度下分别具有102和290 mV的低过电位。在水的全电解过程中，Co-B@CoO纳米阵列电极在1.67 V电位下催化电流高达50 mA·cm^-2，并具有良好的催化稳定性。

为了更深入细致的研究这种电催化材料的本征特性，通过电化学交流阻抗图谱和氮吸附/解吸等温线的分析，研究人员发现其优越的催化性能主要来自于Co-B@CoO更多的活性位点。同时，相对更大的催化剂负载量和比表面积也是Co-B@CoO纳米阵列性能突出的主要原因。利用原位生长法来制备Co-B纳米阵列的方法，为探索基于金属硼化物纳米阵列在电化学能量转换、存储和传感应用领域中提供了新的研究思路。

该研究成果近日发表在了Small（DOI: 10.1002/smll.201700805）杂志上，论文的第一作者是山西师范大学化材学院教师卢文卜博士和四川大学化学学院研究生刘婷婷，孙旭平教授为通讯作者。