制氢成本有望减半？科学家揭示颠覆性催化剂

遗憾的是，由于需要使用昂贵的稀土金属制成的催化剂，该方法目前无法实现大规模的制氢。因此，研究人员正在探索更经济的电催化剂，例如由各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，它们在析氧反应（OER）中表现不佳，从而降低了整体效率。先前的研究表明，向TMPs中掺杂硼（B）可同时提升HER和OER性能，但迄今为止，制备此类材料一直是项挑战。

在最近的突破性进展中，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）先生参与的研究团队，开发出一种新型可调控电催化剂——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。相较于传统电催化剂，这些材料性能更优且成本更低，适用于大规模制氢。" 他们的研究成果于2025年3月19日发表在《Small》期刊上。

研究人员采用了一种创新策略来制备这些材料，以钴（Co）基金属有机框架（MOFs）为起点。车先生指出："MOFs是设计和合成具有所需组成与结构的纳米材料的理想前驱体。" 首先，他们在镍泡沫（NF）上生长钴基金属有机框架（Co-MOFs）。随后，利用硼氢化钠（NaBH4）对该材料进行后合成修饰（PSM）反应，实现了硼元素的掺入。接着使用不同量的次磷酸钠（NaH2PO2）进行磷化处理，最终得到三种不同的掺硼磷化钴纳米片样品（B-CoP@NC/NF）。

实验表明，所有三个样品均具有大的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中分别仅需248 mV和95 mV的过电势，远低于此前报道的电催化剂。

使用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 V的槽电压，低于许多近期报道的电解槽。此外，在超过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(+) // 20% Pt-C/NF(−)电解槽，同时展现出长期稳定性，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控磷含量的作用机制。具体而言，硼掺杂和最佳磷含量促使催化剂与反应中间体发生有效相互作用，从而实现了卓越的电催化性能。

李教授表示："我们的研究结果为设计和合成新一代高效催化剂提供了蓝图，该催化剂可大幅降低制氢成本。这是推动大规模绿色制氢成为现实的重要一步，最终将有助于减少全球碳排放并缓解气候变化。