吉林大学杨春成、蒋青教授，南京理工大学李爽副教授等Nano Letters：三维集成策略用于设计高效的析氢反应电催化剂- 大数跨境

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吉林大学杨春成、蒋青教授，南京理工大学李爽副教授等Nano Letters：三维集成策略用于设计高效的析氢反应电催化剂

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2025-06-19

导读：吉林大学杨春成、蒋青教授，南京理工大学李爽副教授等Nano Letters：三维集成策略用于设计高效的析氢反应电催化剂

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文章信息

一种集成“电子修饰-缺陷工程-界面水重构”策略用于设计高效的析氢反应电催化剂

第一作者：李慧

通讯作者：李爽*，杨春成*，蒋青*

单位：吉林大学，南京理工大学

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研究背景

可持续电力驱动的电催化水分解显著提升了析氢效率。然而，高的解离能垒限制了电解水的大规模应用。当前的商用贵金属基催化剂，如Pt/C，尽管在电催化反应中表现出优异的活性，但其存在成本高昂、资源储备有限的问题，严重阻碍了其大规模推广应用。过渡金属磷化物因其独特的电子结构和优异的电子传输性能而备受关注，其中CoP中高价态的Co吸引H₂O中富电子的氧原子，促进水吸附并加速水解离。

然而，CoP基催化剂的实际应用仍面临以下挑战：

(1)高价金属Co表现出较差的质子吸附能力；

(2)催化剂暴露的活性位点数量有限，从而降低了产氢效率。

此外，电极和电解质界面存在刚性的界面水结构，导致缓慢的电荷转移动力学。为解决这些问题，该工作运用电子调控、元素掺杂、空位工程等改性策略，以提升CoP基电催化剂的活性和稳定性。

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文章简介

近日，来自吉林大学的杨春成、蒋青教授课题组和南京理工大学李爽副教授课题组，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“A strategy integrating "electronic modulation-defect engineering-interfacial water reconstruction" for designing high-efficiency hydrogen evolution reaction electrocatalysts”的研究文章。该工作提出了一种“电子调控-缺陷工程-界面水重构”的协同策略。作为概念验证，在碳纸上合成了具有蒲公英状结构的F掺杂和富含磷空位的CoP催化剂（F-CoPv/CP）。结合分子动力学模拟和X射线吸收精细结构光谱以及原位拉曼、原位红外光谱可知，F通过调控CoP的电子结构削弱O-H键并重构界面水网络，磷空位暴露配位不饱和的Co活性位点并促进氢气脱附。因此，F-CoPv/CP催化剂表现出优异的析氢反应（HER）活性（在79 mV的过电势下即可驱动100 mA cm^-2的电流密度）和突出的稳定性（在500 mA cm-2的恒定电流密度下连续运行600小时）。在60°C条件下，F-CoPv||NiFeOx电解槽仅需2.098 V的低电压就可以驱动1000 mA cm^-2的电流密度。该协同策略为开发高效的HER催化剂提供了新思路。

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本文要点

要点一：该工作从原子层面揭示了F掺杂/P空位协同机制

F掺杂降低了P空位的形成能垒，确保了掺杂和空位同时产生。P空位暴露出配位不饱和的Co活性位点，而相邻的F原子通过F···H-O键打破了刚性的氢键网络，有效地调节了界面水结构。

图1. F-CoPv/CP复合材料的理论设计及其原位拉曼和原位红外表征。

要点二：简单的水热协同磷化处理合成F-CoPv/CP蒲公英状结构

通过简单的水热及后续磷化两步制备了F-CoPv/CP复合材料。F掺杂诱导了分散良好的纳米棒结构，进一步组装成类蒲公英状微球结构。

图2. F-CoPv/CP复合材料的合成示意图及其形貌与结构表征。

要点三：阐述了F掺杂诱导P空位形成机制

退火过程中，过量的NaH₂PO₂·H₂O分解产生大量PH₃气体，形成瞬时高压，导致晶格应变，促使P原子脱离晶格并形成空位。F原子进一步取代P原子使Co-P键更易断裂，显著降低了P空位形成能。形成的P空位暴露了配位不饱和的Co活性位点，显著提升了催化剂的HER活性。

图3. F-CoPv/CP复合材料的结构表征。

要点四：优异的析氢反应活性和稳定性

作为析氢反应催化剂，F-CoPv/CP复合材料表现出优异的析氢反应活性（在79 mV的过电势下即可驱动100 mA cm^-2的电流密度），以及突出的稳定性（在500 mA cm^-2的电流密度下可以稳定运行超过600小时），并且经过长时间工作的F-CoPv/CP仍然保持反应前的结构和表面成分。

图4. F-CoPv/CP复合材料的HER性能。

要点五：F-CoPv/CP复合材料在阴离子交换膜（AEM）电解槽中的应用v

以F-CoPv/CP和商用的NiFeOx分别作为阴极和阳极催化剂所组装的AEM电解槽（命名为F-CoPv/CP||NiFeOx），其在60 °C的条件下仅需2.098 V的电压即可达到1000 mA cm⁻²的电流密度，远小于Pt/C||NiFeOx电解槽所需的电压（2.723 V）。此外，该电解槽在1000 mA cm⁻²的恒定电流密度下连续运行了350 h，充分证明了其在实际工业应用中的潜力。

图5. F-CoPv/CP复合材料的应用前景。

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文章链接

A Strategy Integrating “Electronic Modulation–Defect Engineering–Interfacial Water Reconstruction” for Designing High-Efficiency Hydrogen Evolution Reaction Electrocatalysts, Nano Letters (online).

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02042

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通讯作者简介

李爽副教授简介：南京理工大学材料科学与工程学院副教授，在纳米热力学和第一性原理计算领域有着深厚的研究基础。结合纳米热力学理论和第一性原理计算，对原子尺度下功能异质界的新现象与新原理进行了系统探究，迄今在J. Am. Chem. Soc.(3篇)，Nano Lett.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.等国际学术刊物累计发表SCI论文79篇，其中第一作者及通讯作者文章38篇。

杨春成教授简介：吉林大学“唐敖庆学者”领军教授，吉林省首批“长白山学者”特聘教授，主要从事高性能钠/钾离子电池和燃料电池用金属基复合电极材料方面的研发工作。撰写英文专著两章，发表SCI论文100余篇，包括Mater. Sci. Eng. R., Nat. Commun., Matter, Nano Lett.等，授权国家发明专利22件。任中国金属学会材料科学分会第八届委员会委员。

蒋青教授简介：吉林大学教授，国家级领军人才。研究领域为材料热力学/动力学、新能源材料能量存储与转化。发表SCI论文800余篇，H因子102，2021-2023年连续入选科睿唯安“全球高被引学者”名单。