構筑富含陽離子缺陷的貧P-Ni2P和富P-CoP3異質結用于增強尿素/肼電催化氧化反應

摘要：廢水中存在的肼和尿素會對環境造成嚴重污染。利用電化學氧化技術處理含肼和尿素的廢水，既可以有效處理廢水，實現氮循環，又能將肼和尿素作為新型燃料，有助于新能源的發展。然而，目前實現肼氧化（HzOR）和尿素氧化（UOR）的電化學技術仍存在挑戰。因此，開發低成本、高效且穩定性好的電催化劑是實現這一技術的先決條件。在本文中，我們采用水熱-堿刻蝕-磷化的三步方法，制備了一種富含陽離子缺陷的雙金屬磷化物Ni2P/CoP3催化劑（簡稱Ni2P/CoP3-Znvac），并將其應用于肼氧化和尿素氧化。該催化劑由貧磷的Ni2P和富磷的CoP3兩種不同性質的磷化物組成。CoP3中富集的磷含有大量的負電荷，有利于吸附帶正電荷的中間物種；而Ni2P中磷含量較少，金屬含量高，具有良好的導電性，可以確保快速的反應動力學。通過物理表征和電化學測試，證實了Ni2P/CoP3的成功合成和其獨特的電子結構。電子順磁測試（EPR）證明了陽離子空位的存在，大量的陽離子空位缺陷有助于增加活性位點的數量，從而提升催化性能。因此，該催化劑在肼氧化和尿素氧化方面表現出色。僅需?47 mV （HzOR）和1.311 V（UOR）的電位即可產生10 mA?cm?2的電流密度。Tafel斜率分別為54.3 mV?dec?1 （HzOR）和37.24 mV?dec?1 （UOR）。Ni2P/CoP3-Znvac在HzOR和UOR方面的性能遠優于單獨的Ni2P和CoP3，也優于未經堿刻蝕的鎳鈷磷化物。基于以上的測試結果，我們將Ni2P/CoP3-Znvac催化劑應用于直接肼燃料電池（DHzFC）和直接尿素-雙氧水燃料電池（DUHPFC）的陽極，測試表明DHzFC和DUHPFC的最大功率密度分別為229.01和16.22 mW?cm?2。更為重要的是，DHzFC和DUHPFC能夠穩定工作24 h，性能幾乎不衰退。此外，Ni2P/CoP3-Znvac材料還可應用于自制的鋅-肼燃料電池，并展示出良好的實際應用潛力。綜上所述，本研究通過一系列方法制備了Ni2P/CoP3-Znvac催化劑，該催化劑在肼氧化和尿素氧化方面具有優異性能。這項工作為設計高效且穩定性好的肼氧化和尿素氧化電催化劑提供了新的思路。

關鍵詞：Ni2P/CoP3異質結；陽離子空位缺陷；堿刻蝕；肼氧化；尿素氧化

中圖分類號：O646