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二维黑磷纳米片在电化学析氧领域的最新进展

来源: X-MOL 2017-06-29 14:49:20

析氧反应(OER)在燃料电池等能源转换领域是非常重要的半反应，反应的动力学过程常常制约了整个能源转换以及水解过程的最终效率和产量。有文献报道表示，块状黑磷是一种极具潜力的OER电极材料，性能可以与传统OER电极材料相媲美。与此同时，对于半导体性的范德华层状材料，减小材料的厚度还能够有效增加活性位点的数目并提高材料的OER性能。因此，研究少层黑磷纳米片在内的电化学OER性能，对进一步探索开发黑磷在OER领域的应用价值有着重要的科学意义。

湘潭大学钟建新团队中的祁祥副教授课题组致力于微纳能源材料与器件方面的研究，深圳市黑磷光电技术工程实验室主任、深圳大学张晗教授课题组也是国内黑磷最早的开拓者之一，长期致力于拓展黑磷材料的实际应用。近日，两个研究团队携手湖南大学王双印教授课题组在碱性条件下研究了少层黑磷纳米片的OER性能，同时还实现了对少层黑磷纳米片OER性能的调控。该研究为后续黑磷纳米片以及二维材料析氧反应相关的工作提供了实验基础。该工作发表在Advanced Energy Materials 杂志上，主要完成人为湘潭大学的硕士生任晓辉和周洁以及深圳大学的李中俊博士。

黑磷是一种类石墨烯半导体材料，与一般半导体材料不同的是，黑磷兼具极高的载流子迁移率以及可观的催化活性，因此被人们认为是极具实际应用价值的催化材料之一。实验采用液相剥离的方法得到二维黑磷纳米片，并对其OER性能进行测试。实验发现，二维黑磷纳米片的OER性能与块体黑磷相比有了较大的提升。同时，二维黑磷纳米片OER的各个性能参数还会随着KOH电解液的浓度变化而变化。其中，在1 M KOH电解液中，二维黑磷纳米片的塔菲尔斜率为88 mV/dec，起始电压为1.45 V，具有良好的循环稳定性。

通过分析不同KOH浓度下的电化学曲线（图2），可以得到log(|J|)随 OH- 浓度和外加偏压的变化关系。根据实验数据，可以得到log(|J|)和 OH- 以及偏压拟合公式，以此推导出不同浓度下，电流随电压的变化趋势。他们进一步采用选择性离心的方法，得到了不同厚度分布的黑磷纳米片，并研究了不同离心速度下黑磷纳米片的OER性能。实验结果表明，高速离心能够得到更薄的黑磷纳米片，同时OER性能也更好（图3，在2000 rmp的离心速度下，黑磷纳米片的Tafel斜率为75 mV/dec）。该实验结果也从侧面反映了减小二维黑磷的层数有助于提高其OER能力。该工作研究了少层黑磷纳米片在不同电解液浓度以及离心速度下的OER性能。通过一系列表征测试与电化学测试，结果发现少层黑磷的性能在块状黑磷的基础上有了进一步的提高，为后续研究黑磷纳米片以及二维材料析氧反应相关的工作提供了实验基础。

该课题组相关成果还发表在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Science、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials 等期刊上。该研究得到了深圳市黑磷光电技术工程实验室、教育部创新团队项目、国家自然科学基金重大及重点项目、深圳市重点科技项目等多项基金的支持。

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