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中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米材料与器件技术系国文孟研究员与韩国浦项科技大学合作，近年来，在过渡金属基催化剂的设计、合成及其全电解水制氢方面取得了新的进展。摘要在碳纤维片电极上原位生长制备了单分散、超小尺寸过渡金属亚磷酸酯纳米晶氮掺杂碳层次化纳米片阵列。对析氢反应(HER)和析氧反应(OER)具有优异的双功能催化性能，可实现高效全电解水制氢。
水电解过程中HER和OER两种反应过电压高、能耗高，需要高效的催化剂。铂(Pt)和钌铱(Ir/Ru)氧化物是HER和OER的最佳催化剂，但成本高限制了它们的大规模应用。此外，目前相关研究主要集中在HER或OER单功能催化剂的开发上。在实际应用中，需要设计两种不同类型的催化剂，增加了电解水设备的复杂性。
在本研究中，采用液相法在碳纤维布电极上原位生长了cozn- mfs纳米片阵列前驱体。然后，通过对CoZn-MoFs进行Ni2+刻蚀，合成了由三元过渡金属NiCoZn层状双氢氧化物(CoZnNi LDHs)超薄纳米片组成的多级纳米片中间体。最后，通过可控的磷化反应，构建了NiCoZnP@NC复合结构催化剂，该催化剂由NiCoZnP纳米晶碳化后形成的氮掺杂碳(NC)梯度纳米晶与有机配体组成。基于CoZnNi LDHs超薄纳米片中间体的自牺牲模板限制作用和可控磷化反应，制备的超细磷化纳米晶体均匀分布在氮掺杂碳梯度纳米片上，可作为电催化水分解反应的高活性催化位点。超薄氮掺杂碳的分类结构高于表面，具有良好的导电性。它可以作为磷化纳米晶的载体，促进催化反应过程中的电荷转移。此外，直接生长在碳纤维电极上的自支撑NiCoZnP@NC纳米片不仅有效降低了催化剂与电极之间的接触电阻，而且有利于电解质的扩散和气体的脱附，大大提高了催化剂的稳定性。
在上述协同作用下，构建的NiCoZnP@NC纳米片阵列表现出极高的双功能催化性能。在析氢反应中，其性能接近工业铂碳催化剂。在析氧反应中，二氧化铱(IrO2)的性能明显优于工业用的二氧化铱(IrO2)。在全水电解中，1.54伏特的电压可驱动电流密度为10mA/cm2，具有良好的长期稳定性，该过渡金属基催化剂的制备成本远低于商用贵金属催化剂。本研究提出的催化剂制备方法具有合成工艺简单、成本低、制备规模大等优点，为开发高效、低成本、稳定的全电解水催化剂提供了新的思路。在高效水电解绿色制氢领域具有良好的应用前景。
研究结果发表在《化学工程杂志》上。
催化剂示意图。a：磷化物纳米晶@氮掺杂碳（NiCoZnP@NC）分级纳米片阵列制备流程示意图，b：碳纤维布电极示意图，c：NiCoZnP@NC分级纳米片阵列示意图
扫描电镜表征结果。a、b：CoZn-MOF纳米片阵列前驱体，c：NiCoZn LDH分级纳米片中间体，d：NiCoZnP@NC分级纳米片阵列
透射电镜表征结果：a—c：NiCoZn LDH超薄分级纳米片中间体，d—e：NiCoZnP@NC分级纳米片
HER和OER性能测试结果。a：HER线性扫描伏安曲线，b：HER塔菲尔斜率曲线，c：HER电化学阻抗谱，d：OER线性扫描伏安曲线，e：OER塔菲尔斜率曲线，f：OER电化学阻抗谱
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