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仪表网 研发快讯】近日，国家纳米科学中心赵慎龙团队在基于热剥离原子分散的Co-P单元用于碱性析氢研究中取得新进展，相关研究成果以Atomically Dispersed Co–P Moieties via Direct Thermal Exfoliation for Alkaline Hydrogen Electrosynthesis为题在线发表于Journal of the American Chemical Society.(2025,147,5,3994–4004,DOI: 10.1021/jacs.4c11788)
碱性析氢反应(HER)在阴离子交换膜电解槽中起着关键作用，其发展直接关系到清洁氢能的规模化生产。然而，与酸性条件相比，碱性HER的反应动力学慢约2-3个数量级，这对电催化剂的活性和稳定性提出了更高要求。目前，尽管非贵金属电催化剂(如磷化物、硫化物和碳化物)在提升HER性能方面取得了一定进展，但它们在长期运行中的活性与稳定性之间的矛盾依然无法彻底解决。近年来，基于MX4单元(X=C、N、O、P)的原子分散催化剂因其在催化活性位点和结构稳定性上的优势受到关注。研究表明，P的3p轨道与金属3d轨道形成弱极性共价键，可优化中间体吸附强度，显著提升HER性能。此外，P位点的低电负性使其在水分解过程中能够与金属位点形成协同活性中心。基于此，通过优化CoP4单元的形成和分布，构建一种新型的碱性析氢催化剂，有希望突破传统非贵金属催化剂的性能限制。
最近，赵慎龙研究团队通过中温磷化剥离策略，成功合成了原子分散的CoP4单元(CoP4−SSC)，并均匀分布于超薄碳纳米片表面。电化学测试结果显示，CoP4−SSC在1 M KOH溶液中表现出优异的HER性能，其中过电位仅为52 mV，塔菲尔斜率为51 mV dec-1，转化频率TOF高达23.83 s-1，超越了最新报道的大多数非贵金属电催化剂。不仅如此，在阴离子交换膜(AEM)电解槽中，CoP4−SSC阴极电催化剂可以在安培级电流密度下表现出优异的长期稳定性。通过XANES、FT-EXAFS、原位SR-FTIR分析和DFT计算表明，Co位点锚定在MOF衍生碳基体的四配位CoP4单元中，能够有效激活第一配位壳的P位点参与催化，从而构建了动态优选的[P-*H···H2O*-Co]纳米界面。
该研究不仅突破了传统非贵金属催化剂的性能瓶颈，还为 AEM 电解槽的商业化应用奠定了坚实基础，有望推动清洁氢能产业的快速发展。未来，研究团队将进一步探索该催化剂在大规模工业生产中的应用潜力，致力于实现清洁氢能的广泛应用。
国家纳米科学中心赵慎龙研究员为论文唯一通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金委(22373027)等的支持。
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