氢燃料成本减半？科学家开发出变革性催化剂

遗憾的是，由于需要使用昂贵的稀土金属制成的催化剂，目前该方法无法大规模生产氢气。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）因其优良特性，作为析氢反应（HER）侧的催化剂引起了广泛关注。然而，它们在析氧反应（OER）中表现不佳，降低了整体效率。先前研究表明，向TMPs中掺杂硼（B）可同时提升HER和OER性能，但迄今为止，制造此类材料一直存在挑战。

近期一项突破性研究中，由韩国汉阳大学ERICA校区李成贤（Seunghyun Lee）教授领导，车敦灿（Dun Chan Cha）先生参与的团队，开发出一种新型可调谐电催化剂——掺硼磷化钴（CoP）纳米片。李教授解释道："我们通过利用金属有机框架调节硼掺杂量和磷含量，成功开发出基于磷化钴的纳米材料。这些材料比传统电催化剂具有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。

研究人员采用创新策略，以钴（Co）基金属有机框架（MOFs）为原料制备这些材料。车先生指出："MOFs是设计和合成具有特定组分结构的纳米材料的理想前驱体。"首先，他们在泡沫镍（NF）上生长钴基金属有机框架（Co-MOFs），随后利用硼氢化钠（NaBH4）进行合成后修饰（PSM）反应实现硼元素掺杂。接着使用不同用量的次磷酸钠（NaH2PO2）进行磷化处理，最终制得三种不同的掺硼磷化钴纳米片样品（B-CoP@NC/NF）。

实验表明，所有样品均具有大比表面积和介孔结构，这些是提升电催化活性的关键特征。因此，三个样品均展现出优异的OER和HER性能，其中使用0.5克次磷酸钠制备的样品（B-CoP0.5@NC/NF）表现最佳。值得注意的是，该样品在OER和HER中分别仅需248毫伏和95毫伏的过电位，远低于先前报道的电催化剂。

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1.59伏的槽电压，低于多数近期报道的电解槽。此外，在高于50 mA cm-2的高电流密度下，其性能甚至超越了先进的RuO2/NF（正极）和20% Pt-C/NF（负极）电解槽，同时展现出长期稳定性，可维持性能超过100小时。

密度泛函理论（DFT）计算验证了这些发现，并阐明了硼掺杂与磷含量调节的作用机制。具体而言，硼掺杂与最佳磷含量促使材料与反应中间体产生有效相互作用，从而实现了卓越的电催化性能。

李教授表示："我们的研究为设计和合成能大幅降低制氢成本的下一代高效催化剂提供了蓝图。这是实现大规模绿色制氢的重要一步，最终将助力减少全球碳排放并缓解气候变化。"