氢燃料成本减半？科学家揭示突破性催化剂

遗憾的是，由于需要使用昂贵的稀土金属制成的催化剂，目前利用这种方法大规模生产氢气尚不可行。因此，研究人员正在探索更经济实惠的电催化剂，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）因其优异的性能，作为该过程中制氢侧（称为析氢反应，HER）的催化剂受到了广泛关注。然而，它们在析氧反应（OER）中表现不佳，从而降低了整体效率。先前研究表明，将硼（B）掺杂到TMPs中可以同时提升HER和OER性能，但迄今为止，制备此类材料一直是个挑战。

在最近的一项突破中，由韩国汉阳大学ERICA校区李成贤教授领导，车敦赞先生参与的研究团队，开发了一种新型的硼掺杂磷化钴（CoP）纳米片可调控电催化剂。李教授解释道：“我们通过利用金属有机框架调控硼掺杂和磷含量，成功开发了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异的性能和更低的成本，适用于大规模制氢。”他们的研究于2025年3月19日发表在期刊Small上。

研究人员采用了一项创新策略来制备这些材料，使用了钴（Co）基金属有机框架（MOFs）。车先生指出：“金属有机框架是设计和合成具有所需组成与结构的纳米材料的优异前驱体。”首先，他们在泡沫镍（NF）上生长了钴基MOFs。随后，他们对该材料进行了与硼氢化钠（NaBH₄）的后合成修饰（PSM）反应，从而实现了硼的掺入。接着使用不同量的次磷酸钠（NaH₂PO₂）进行磷化处理，最终形成了三种不同的硼掺杂磷化钴纳米片样品（B-CoP@NC/NF）。

实验表明，所有三个样品都具有大的表面积和介孔结构，这些是提升电催化活性的关键特征。因此，所有三个样品均表现出优异的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）效果最佳。值得注意的是，该样品在OER和HER上分别表现出248毫伏和95毫伏的过电势，远低于先前报道的电催化剂。

使用B-CoP0.5@NC/NF电极开发的碱性电解槽，在10 mA cm^-2的电流密度下，仅需1.59伏的槽电压，低于许多近期的电解槽。此外，在高于50 mA cm^-2的高电流密度下，其性能甚至超越了最先进的RuO₂/NF(+)和20% Pt-C/NF(−)电解槽，同时还展现了长期稳定性，性能可维持超过100小时。

密度泛函理论（DFT）计算支持了这些发现，并阐明了硼掺杂和调节磷含量的作用。具体而言，硼掺杂和最佳的磷含量促进了与反应中间体的有效相互作用，从而实现了卓越的电催化性能。

李教授表示：“我们的发现为设计和合成下一代高效催化剂提供了方案，此类催化剂可大幅降低制氢成本。这是实现大规模绿色制氢的重要一步，最终将有助于减少全球碳排放和缓解气候变化。”