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Effects of Catalyst Phase on the Hydrogen Evolution Reaction of Water Splitting: Preparation of Phase-Pure Films of FeP, Fe2P, and Fe3P and Their Relative Catalytic Activities

X射线光电子能谱 催化作用 化学工程 材料科学 相(物质) 结晶学 无机化学 化学 生物化学 工程类 有机化学
作者
Desmond Schipper,Zhenhuan Zhao,Hari Thirumalai,Andrew Leitner,Samantha L. Donaldson,Arvind Kumar,Fan Qin,Zhiming Wang,Lars C. Grabow,Jiming Bao,Kenton H. Whitmire
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:30 (10): 3588-3598 被引量:149
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.8b01624
摘要

The comparative catalytic activities of iron phosphides, Fe<sub>x</sub>P (x = 1–3), have been established with phase-pure material grown by chemical vapor deposition (CVD) from single-source organometallic precursors. This is the first report of the preparation of phase-pure thin films of FeP and Fe<sub>2</sub>P, and their identity was established with scanning-electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and powder X-ray diffraction. All materials were deposited on fluorine-doped tin oxide (FTO) for evaluation of their activities toward the hydrogen evolution reaction (HER) of water splitting in 0.5 M H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>. HER activity follows the trend Fe<sub>3</sub>P > Fe<sub>2</sub>P > FeP, with Fe<sub>3</sub>P having the lowest overpotential of 49 mV at a current density of 10 mA cm<sup>–2</sup>. Density functional theory (DFT) calculations are congruent with the observed activity trend with hydrogen binding favoring the iron-rich terminating surfaces of Fe<sub>3</sub>P and Fe<sub>2</sub>P over the iron-poor terminating surfaces of FeP. The results present a clear trend of activity with iron-rich phosphide phases outperforming phosphorus rich phases for hydrogen evolution. The films of Fe<sub>2</sub>P were grown using Fe(CO)<sub>4</sub>PH<sub>3</sub> (1), while the films of FeP were prepared using either Fe(CO)<sub>4</sub>P<sup>t</sup>BuH<sub>2</sub> (2) or the new molecule {Fe(CO)4P(H)tBu}2 (3) on quartz and FTO. Compound 3 was prepared from the reaction of PCl<sub>2</sub><sup>t</sup>Bu with a mixture of Na[HFe(CO)<sub>4</sub>] and Na<sub>2</sub>[Fe(CO)<sub>4</sub>] and characterized by single-crystal X-ray diffraction, ESI-MS, elemental analysis, and <sup>31</sup>P/<sup>1</sup>H NMR spectroscopies. Films of Fe<sub>3</sub>P were prepared as previously described from H<sub>2</sub>Fe<sub>3</sub>(CO)<sub>9</sub>P<sup>t</sup>Bu (4).
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