研究内容

在碱性溶液中开发高活性和稳定的阴极对于促进阴离子交换膜（AEM）电解槽的商业化至关重要，但这仍然是一个重大挑战。

国家纳米科学中心赵慎龙在中温下通过磷化剥离策略合成了固定在超薄碳纳米片上的原子分散的CoP 4 部分（CoP 4 −SSC）。CoP 4 −SSC电催化剂在碱性析氢方面表现出优异的活性，在10 mA cm −2 下具有52 mV的低过电位，转换频率高达23.83 s −1 。使用CoP 4 −SSC制造的AEM电解槽在仅1.94 V的施加电压下实现了1 A cm −2 的电流密度，在500小时的连续电催化后显示出可以忽略不计的退化。相关工作以“Atomically Dispersed Co−P Moieties via Direct Thermal Exfoliation for Alkaline Hydrogen Electrosynthesis”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者使用高效的磷化剥离策略合成了一种完全P配位的CoP 4 −SSC。这种方法能够在中等温度下直接从纳米簇中剥离钴原子位点，从而在碱性溶液中制备出高性能的HER电催化剂。利用扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）技术结合密度泛函理论（DFT）计算，作者阐明了Co位点剥落的热力学机制。

要点2.CoP 4 −SSC在1 M KOH溶液中表现出52 mV的过电势，可以驱动10 mA cm −2 （η 10 ）的电流密度和高达23.83 s −1 的高转换频率（TOF）。AEM电解槽测试表明，当用作阴极催化剂时，CoP 4 −SSC只需要1.94 V即可达到1 A cm −2 的电流密度，并且可以稳定运行500小时。

要点3.同步加速器傅里叶变换红外（SR-FTIR）测量和DFT计算表明，优异的HER性能源于P位点的有效参与，P位点在CoP 4 部分形成Co-P双位点对。在Heyrovsky步骤中，这些对诱导了[P-*H··H 2 O*-Co]纳米界面的形成，从而促进了水的解离。这一独特特征将CoP 4 −SSC与大多数单中心催化剂（SSC）区分开来，在SSC中，非金属原子通常充当助剂来调节金属中心的催化性能，而不是积极参与电催化。

研究图文

图1. CoP 4 −SSC的合成和形貌表征。

图2. 钴原子剥离的热力学机制。

图3. CoP 4 −SSC和参比催化剂在1 M KOH电解质中的电催化HER性能。

图4. 电催化机理的探索。

文献详情

Atomically Dispersed Co−P Moieties via Direct Thermal Exfoliation for Alkaline Hydrogen Electrosynthesis

Zheng Zhou, Yixin Su, Hao Tan, Yang Wang, Qianwei Huang, Haozhu Wang, Jingyang Wang, Momoji Kubo, Zitao Ni, Yuan Kong, Shenlong Zhao*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c11788

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