氢燃料成本减半？科学家公布颠覆性催化剂

遗憾的是，由于需要使用昂贵的稀土金属催化剂，该方法目前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材料。其中，过渡金属磷化物（TMPs）因其优异特性，作为析氢反应（HER）催化剂受到了广泛关注。然而其在析氧反应（OER）中表现欠佳，降低了整体效率。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，但此类材料的制备一直存在技术挑战。

韩国汉阳大学ERICA校区李承现教授团队（成员包括车敦赞）近期取得突破性进展，成功开发出基于硼掺杂磷化钴（CoP）纳米片的新型可调控电催化剂。李教授解释道："我们通过金属有机框架调控硼掺杂量和磷含量，成功制备了磷化钴基纳米材料。与传统电催化剂相比，这些材料性能更优且成本更低，适用于大规模制氢。"该研究成果于2025年3月19日发表于《Small》期刊。

研究团队采用创新策略，以钴（Co）基金属有机框架（MOFs）为前驱体进行材料制备。"MOFs是设计合成特定组分结构纳米材料的理想前驱体"，车敦赞强调。首先在泡沫镍（NF）基底上生长Co-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，最后使用不同用量的次磷酸钠（NaH₂PO₂）进行磷化处理，最终制备出三种硼掺杂磷化钴纳米片样品（B-CoP@NC/NF）。

实验表明所有样品均具有高比表面积和介孔结构，这些特征显著提升了电催化活性。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OER和HER过电位分别仅为248毫伏与95毫伏，远低于已报道的电催化剂数据。

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槽电压，低于多数最新电解槽。当电流密度提升至50 mA cm⁻²以上时，其性能甚至超越先进的RuO₂/NF(+)和20% Pt-C/NF(−)电解槽，同时展现超过100小时的长期运行稳定性。

密度泛函理论（DFT）计算验证了实验结果，阐明硼掺杂与磷含量调控的作用机制：硼掺杂结合最佳磷含量可促进催化剂与反应中间体的有效相互作用，从而实现卓越的电催化性能。

"本研究为设计合成新一代高效催化剂提供了蓝图，有望大幅降低制氢成本"，李教授强调，"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。"