析氧反應(OER)在燃料電池等能源轉換領域是非常重要的半反應，反應的動力學過程常常制約了整個能源轉換以及水解過程的最終效率和產量。有文獻報道表示，塊狀黑磷是一種極具潛力的OER電極材料，性能可以與傳統OER電極材料相媲美。與此同時，對于半導體性的范德華層狀材料，減小材料的厚度還能夠有效增加活性位點的數目并提高材料的OER性能。因此，研究少層黑磷納米片在內的電化學OER性能，對進一步探索開發黑磷在OER領域的應用價值有著重要的科學意義。
湘潭大學鐘建新團隊中的祁祥副教授課題組致力于微納能源材料與器件方面的研究，深圳市黑磷光電技術工程實驗室主任、深圳大學張晗教授課題組也是國內黑磷最早的開拓者之一，長期致力于拓展黑磷材料的實際應用。近日，兩個研究團隊攜手湖南大學王雙印教授課題組在堿性條件下研究了少層黑磷納米片的OER性能，同時還實現了對少層黑磷納米片OER性能的調控。該研究為后續黑磷納米片以及二維材料析氧反應相關的工作提供了實驗基礎。該工作發表在Advanced Energy Materials 雜志上，主要完成人為湘潭大學的碩士生任曉輝和周潔以及深圳大學的李中俊博士。
黑磷是一種類石墨烯半導體材料，與一般半導體材料不同的是，黑磷兼具極高的載流子遷移率以及可觀的催化活性，因此被人們認為是極具實際應用價值的催化材料之一。實驗采用液相剝離的方法得到二維黑磷納米片，并對其OER性能進行測試。實驗發現，二維黑磷納米片的OER性能與塊體黑磷相比有了較大的提升。同時，二維黑磷納米片OER的各個性能參數還會隨著KOH電解液的濃度變化而變化。其中，在1 M KOH電解液中，二維黑磷納米片的塔菲爾斜率為88 mV/dec，起始電壓為1.45 V，具有良好的循環穩定性。
通過分析不同KOH濃度下的電化學曲線（圖2），可以得到log(|J|)隨 OH- 濃度和外加偏壓的變化關系。根據實驗數據，可以得到log(|J|)和 OH- 以及偏壓擬合公式，以此推導出不同濃度下，電流隨電壓的變化趨勢。他們進一步采用選擇性離心的方法，得到了不同厚度分布的黑磷納米片，并研究了不同離心速度下黑磷納米片的OER性能。實驗結果表明，高速離心能夠得到更薄的黑磷納米片，同時OER性能也更好（圖3，在2000 rmp的離心速度下，黑磷納米片的Tafel斜率為75 mV/dec）。該實驗結果也從側面反映了減小二維黑磷的層數有助于提高其OER能力。該工作研究了少層黑磷納米片在不同電解液濃度以及離心速度下的OER性能。通過一系列表征測試與電化學測試，結果發現少層黑磷的性能在塊狀黑磷的基礎上有了進一步的提高，為后續研究黑磷納米片以及二維材料析氧反應相關的工作提供了實驗基礎。
該課題組相關成果還發表在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Science、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials 等期刊上。該研究得到了深圳市黑磷光電技術工程實驗室、教育部創新團隊項目、國家自然科學基金重大及重點項目、深圳市重點科技項目等多項基金的支持。
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