【儀表網 研發快訊】近日，國家納米科學中心趙慎龍團隊在基于熱剝離原子分散的Co-P單元用于堿性析氫研究中取得新進展，相關研究成果以Atomically Dispersed Co–P Moieties via Direct Thermal Exfoliation for Alkaline Hydrogen Electrosynthesis為題在線發表于Journal of the American Chemical Society.(2025,147,5,3994–4004,DOI: 10.1021/jacs.4c11788)
堿性析氫反應(HER)在陰離子交換膜電解槽中起著關鍵作用，其發展直接關系到清潔氫能的規模化生產。然而，與酸性條件相比，堿性HER的反應動力學慢約2-3個數量級，這對電催化劑的活性和穩定性提出了更高要求。目前，盡管非貴金屬電催化劑(如磷化物、硫化物和碳化物)在提升HER性能方面取得了一定進展，但它們在長期運行中的活性與穩定性之間的矛盾依然無法徹底解決。近年來，基于MX4單元(X=C、N、O、P)的原子分散催化劑因其在催化活性位點和結構穩定性上的優勢受到關注。研究表明，P的3p軌道與金屬3d軌道形成弱極性共價鍵，可優化中間體吸附強度，顯著提升HER性能。此外，P位點的低電負性使其在水分解過程中能夠與金屬位點形成協同活性中心。基于此，通過優化CoP4單元的形成和分布，構建一種新型的堿性析氫催化劑，有希望突破傳統非貴金屬催化劑的性能限制。
最近，趙慎龍研究團隊通過中溫磷化剝離策略，成功合成了原子分散的CoP4單元(CoP4−SSC)，并均勻分布于超薄碳納米片表面。電化學測試結果顯示，CoP4−SSC在1 M KOH溶液中表現出優異的HER性能，其中過電位僅為52 mV，塔菲爾斜率為51 mV dec-1，轉化頻率TOF高達23.83 s-1，超越了最新報道的大多數非貴金屬電催化劑。不僅如此，在陰離子交換膜(AEM)電解槽中，CoP4−SSC陰極電催化劑可以在安培級電流密度下表現出優異的長期穩定性。通過XANES、FT-EXAFS、原位SR-FTIR分析和DFT計算表明，Co位點錨定在MOF衍生碳基體的四配位CoP4單元中，能夠有效激活第一配位殼的P位點參與催化，從而構建了動態優選的[P-*H···H2O*-Co]納米界面。
該研究不僅突破了傳統非貴金屬催化劑的性能瓶頸，還為 AEM 電解槽的商業化應用奠定了堅實基礎，有望推動清潔氫能產業的快速發展。未來，研究團隊將進一步探索該催化劑在大規模工業生產中的應用潛力，致力于實現清潔氫能的廣泛應用。
國家納米科學中心趙慎龍研究員為論文唯一通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學基金委(22373027)等的支持。
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