氢燃料成本减半？科学家揭示颠覆性催化剂

遗憾的是，由于需要使用昂贵稀土金属制成的催化剂，目前该方法无法实现大规模制氢。因此，研究人员正在探索更经济的电催化剂，例如由多种过渡金属及其化合物制成的催化剂。其中，过渡金属磷化物（TMPs）因其优异特性，作为产氢侧（即析氢反应HER）的催化剂受到了广泛关注。然而，其在析氧反应（OER）中表现欠佳，导致整体效率降低。先前研究表明，向TMPs中掺杂硼（B）元素可同时提升HER和OER性能，但此类材料的制备迄今仍是技术难点。

在近期突破性研究中，由韩国汉阳大学ERICA校区李承贤教授领导的团队（成员包括车敦灿先生）开发出一种新型可调谐电催化剂——硼掺杂磷化钴（CoP）纳米片。李教授说明："我们通过金属有机框架调控硼掺杂量和磷含量，成功制备出磷化钴基纳米材料。与传统电催化剂相比，这些材料兼具更优性能和更低成本，适用于大规模制氢。"该研究成果于2025年3月19日发表在Small期刊。

研究团队采用创新策略：以钴基金属有机框架（MOFs）为前驱体合成材料。"MOFs是设计合成具有特定组分结构纳米材料的理想前驱体，"车先生强调。他们先在泡沫镍（NF）上生长钴基MOFs，随后通过硼氢化钠（NaBH4）进行合成后修饰（PSM）实现硼元素掺杂。最后使用不同剂量次磷酸钠（NaH2PO2）进行磷化处理，成功制备出三种硼掺杂磷化钴纳米片样品（B-CoP@NC/NF）。

实验证实：所有样品均具备提升电催化活性的关键特征——大比表面积和介孔结构。因此三组样品均展现出优异的OER和HER性能，其中使用0.5克NaH2PO2制备的样品（B-CoP0.5@NC/NF）表现最优。值得注意的是，该样品在OER和HER中的过电位分别仅为248mV和95mV，远低于已报道的电催化剂。

采用B-CoP0.5@NC/NF电极组装的碱性电解槽，在10 mA cm-2电流密度下仅需1.59V槽压，低于多数最新电解槽。尤其在超过50 mA cm-2的高电流密度下，其性能甚至超越了先进的RuO2/NF(+)和20% Pt-C/NF(−)电解槽，同时展现出超过100小时的长效稳定性。

密度泛函理论（DFT）计算不仅验证了实验结果，更阐明了硼掺杂与磷含量调控的作用机制：硼掺杂与最佳磷含量的协同效应促进了与反应中间体的有效相互作用，从而产生卓越的电催化性能。

李教授总结道："本研究为设计合成下一代高效催化剂提供了蓝图，有望大幅降低制氢成本。这是实现大规模绿色制氢的重要一步，最终将助力全球碳减排与气候变化缓解。"