南开大学，最新Advanced Energy Materials！

合理设计一种同时加速水分解、促进羟基转化和促进氢解吸的高效催化剂对碱性析氢反应（HER）提出了重大挑战。为了应对这一挑战，将从第四和第五阶段元素中选择的一系列配位金属掺入二钴磷化物（Co₂P），从而调节界面吸附。在这些元素配位催化剂中，同时考虑d带填充和自旋极化，铁配位催化剂（Fe-CPNCF）表现出适当的吸附能，Fe配位通过合理调制活性位d轨道，使催化剂活化界面惰性H₂O分子，并位于水解离能垒火山图顶端。因此，基于Fe-CPNCF的阴离子交换膜水电解槽的电流密度达到2 A cm⁻²在2.04 V的低电池电压下，并保持稳定的电解1160小时，在商业应用中显示出巨大的潜力。这项工作强调了合理调整活性位点的d轨道对于调节界面吸附行为的重要性，为开发高效析氢催化剂提供了相关见解。南开大学袁忠勇在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》发表题为“Rational d-Orbitals Modulation for Tailoring Co₂P Interfacial Adsorption Behavior: Boosting Alkaline Hydrogen Evolution”的研究论文，Lei Wang为论文第一作者，袁忠勇为论文通讯作者。

图1：碱性介质中HER Volmer步骤的H₂O解离过程示意

图2：以钴元素及配位第二金属元素表示CPNCF与M-CPNCF

图3：（a–j）M-CPNCF的SEM、STEM及EDS元素分布图；（k）超声处理后粉末的XRD谱图；（l）M-CPNCF中配位金属元素的高分辨XPS光谱；（m）由Tauc图得到的价带顶位置；（n）Co K边XANES光谱；（o）R空间k³加权Co K边FT-EXAFS光谱；（p）CPNCF与Fe-CPNCF的k³加权Co K边EXAFS拟合结果。

图4：（a）各催化剂的LSV极化曲线；（b）CPNCF与M-CPNCF的双层电容C_dl值；（c）经ECSA归一化的LSV极化曲线及（d）CPNCF与M-CPNCF电化学性能对比；（e）以Fe-CPNCF为阴极、商业IrO₂为阳极，在0.5 A cm^-2电流密度下的长期稳定性测试。

图5：（a）HER中催化剂的电荷转移电阻；（b）对应的Bode相图；（c）Fe-CPNCF表面在HER过程中的原位FTIR光谱；（d）不同电位下ν1峰面积占比；（e）CPNCF与Fe-CPNCF的Pourbaix图；（f）CPNCF与Fe-CPNCF的CV及CO溶出CV曲线；（g）活性位与吸附物的COHP分析；（h）HER过程的吉布斯自由能曲线；（i）M-CPNCF在Heyrovsky步骤的反应机理示意；（j）Fe-CPNCF在HER中的整体机理示意。

图6：（a）阴离子交换膜水电解器（AEMWE）示意图；（b）AEMWE的LSV极化曲线；（c）不同催化剂在AEMWE中2 A cm^-2电流密度下的稳定性对比；（d）Fe-CPNCF与文献报道的先进电催化剂长期稳定性对比。

总之，作者通过引入第二过渡金属（Fe）调控Co₂P的d轨道电子结构，构建多位点协同催化剂，显著增强碱性析氢反应（HER）中水的吸附与解离能力，降低Volmer步骤能垒。所得Fe-CPNCF催化剂在AEM电解槽中实现2 A cm^-2电流密度仅需2.04 V电压，稳定运行超1160 h，展现出优异的工业应用潜力，为开发高效、低成本、非贵金属析氢催化剂提供了新策略。

文章信息

期刊：Advanced Energy Materials

题目：Rational d-Orbitals Modulation for Tailoring Co2P Interfacial Adsorption Behavior: Boosting Alkaline Hydrogen Evolution

作者：Lei wang, Xian-Wei Lv, Hao-Yu Wang, Jin-Tao Ren, Yi Feng, Minglei Sun, Zhong-Yong Yuan

接受日期:14 September 2025

原文链接: https://doi.org/10.1002/aenm.202504036