High performance cobalt-based phosphide catalysts for electrochemical water splitting

Abstract

Hydrogen has been proposed to be a clean and carbon-neutral energy carrier that can be used as next generation fuel. Water splitting has long been thought to be a sustainable and environmentally friendly approach to hydrogen production, given that water is virtually an inexpensive, renewable, plenty resource and water splitting process itself does not produce any harmful emissions. The major challenge for the development of water electrolyzers for large scale production of hydrogen is huge energy consumption, originating from high overpotentials of the oxygen evolution reaction (OER) and the hydrogen evolution reaction (HER). Transition metal phosphides have recently emerged as a new class of electrocatalysts that can efficiently catalyze the OER and HER. However, the catalytic performance needs to be further improved to promote the practical application of phosphide catalysts in the water splitting . In this work, two strategies are investigated to increase the hydrogen evolution reaction, oxygen evolution reaction as well as the overall water splitting performance of phosphide catalysts. The first strategy is to dope nickel atoms into cobalt-based phosphide catalyststo improve the intrinsic activity of each active site. The as-synthesized powdery phosphide catalysts showed narrow particle size distribution of 5-10 nm and good water splitting performance. Low overpotentials of 0.26 and 0.13 V could deliver a benchmark current density of 10 mA cm-2 in 1.0 M KOH for the oxygen and hydrogen evolution, respectively. Benefitting from the excellent OER and HER catalytic performance, a low cell voltage of 1.70 V was needed for the overall water splitting at 10 mA cm-2 , outperforming the performance of noble metal based catalysts under the same conditions. Meanwhile, the electrolyzer was able to operate at 10 mA cm-2 over 40 h with negligible degradation, showing good long-term stability. The second strategy is to prepare self-supported porous cobalt phosphide to increase the number of active sites on a given geometric surface area of electrodes. The as-prepared porous cobalt phosphide self-supported electrode showed outstanding water splitting performance, especially at high current densities. For instance, to afford overall water splitting at an industry-relevant current density of 1000 mA cm-2 , a low voltage of only 1.98 V was required. More importantly, the electrolyzer could sustain continuous electrolysis for 500 h at 500 mA cm-2 without obvious degradation.

O hidrogênio foi proposto como um transportador de energia limpo e neutro em carbono que pode ser usado como combustível da próxima geração. Há muito que se pensa que a eletrólise da água é uma abordagem sustentável e ecológica da produção de hidrogênio, uma vez que a água é praticamente um recurso barato, renovável e com muitos recursos, e o próprio processo de separação de água não produz emissões nocivas. O grande desafio para o desenvolvimento de eletrocatalisadores de água para produção em larga escala de hidrogênio é o enorme consumo de energia, originado de altos superpotenciais da reação de evolução de oxigênio (OER) e da reação de evolução de hidrogênio (HER). Os fosfitos metálicos de transição surgiram recentemente como uma nova classe de eletrocatalisadores que podem catalisar eficientemente o OER e o HER. No entanto, o desempenho catalítico precisa ser melhorado para promover a aplicação prá tica de catalisadores de fosfito na eletrólise da água. Neste trabalho, duas estratégias foram investigadas para aumentar o desempenho da separação de água de catalisadores de fosfito. A primeira estratégia é dopar á tomos de níquel em catalisadores de fosfito de cobalto para melhorar a atividade intrínseca de cada sítio ativo. Os catalisadores de fosfito em pó como sintetizados mostraram uma distribuição estreita do tamanho de partícula de 5 a 10 nm e bom desempenho de separação de água. Superpotenciais baixos de 0,26 e 0,13 V podem fornecer uma densidade de corrente de referência de 10 mA cm-2 em KOH 1,0 M para a evolução de oxigênio e hidrogênio, respectivamente. Foi necessária uma voltagem de cé lula baixa de 1,70 V para a divisão geral da água a 10 mA cm-2, comparável ao desempenho de catalisadores à base de metais nobres. Enquanto isso, o eletrolisador foi capaz de operar a 10 mA cm-2 por 40 h com degradação desprezível. A segunda estratégia foi preparar fosfito de cobalto poroso auto suportado para aumentar o número de locais ativos em uma determinada área geométrica da superfície dos elétrodos. O elétrodo poroso autoportante preparado mostrou excelente desempenho de separação de água, especialmente em altas densidades de corrente. Por exemplo, para permitir a divisão geral da água a uma densidade de corrente relevante para o setor de 1000 mA cm-2, foi necessário uma baixa tensão de 1,98 V. Mais importante, o eletrolisador poderia sustentar eletrólise contínua por 500 h a 500 mA cm-2 sem degradação óbvia.