近日，中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組(DNL1621組)章福祥研究員團隊在非貴金屬基材料高效穩定分解水制氫研究中取得新進展。團隊基于電催化機械穩定性、材料結構穩定性、電催化穩定性等方面的全盤考慮，提出了“一體化設計(All-for-one Design)”的電極設計合成新思路，開發出可在工業級大電流密度(500 mA cm?2)下穩定運行超過1000小時的非貴金屬磷化鈷基陽極催化劑，為低成本、大規模電解水制綠氫提供了新思路。
 

　　電解水制氫是利用可再生能源(如太陽能、風能)生產綠氫的核心技術，對于構建未來清潔能源體系、實現“雙碳”目標具有重要意義。然而，電解水過程中的陽極析氧反應(OER)動力學遲緩，是整個過程的瓶頸，通常需要依賴昂貴稀有的貴金屬(如銥、釕)催化劑。開發廉價、高效且穩定的非貴金屬催化劑是該領域亟待攻克的關鍵難題。盡管過渡金屬磷化物(TMPs)等非貴金屬催化劑展現出替代潛力，但它們在工業生產所要求的大電流密度下，普遍存在活性衰減快、易從電極上剝落等穩定性問題，難以滿足商業化應用的要求。
 

　　在本工作中，團隊從催化劑的物理穩定性和化學穩定性出發，系統性地提出了一體化設計策略，將影響催化劑性能的多個關鍵參數——從宏觀的電極結構到微觀的原子排布，進行協同優化，最終多管齊下，解決了電解水催化劑過電位高，大電流運行條件下容易脫落、失活等穩定性低的難題。
 

　　為從根本上解決催化劑在劇烈析氧過程中物理剝落的問題，研究團隊采用了準原位生長方法，將催化劑粉末與導電基底(泡沫鎳)一同置于反應釜中，通過溶劑熱處理，使催化劑在基底表面“生根發芽”，形成牢固的結合，增強了電極的機械穩定性。在催化劑的微觀結構設計上，團隊構筑了具有二維納米片形態的磷化鈷(CoP)，為反應提供了大量的活性位點，同時構建了高效的電子傳輸高速通道，確保了電流能夠順暢地在催化劑內外流通，避免了因電荷擁堵而導致的局部過熱和結構損壞。進一步，團隊在原子尺度上精確調控磷化過程，形成了CoP和Co?P兩種晶相共存的多晶異質結構，并在其中引入了微量的硫原子進行摻雜改性。異質界面的形成與硫原子的引入有效調節了鈷活性中心的電子云分布，優化了其與反應中間體的結合能，從而提升了催化劑的本征活性。
 

　　得益于上述一體化的協同設計，團隊制備的Co?P-HS陽極催化劑展現出高穩定性，在500 mA cm?2的工業級電流密度下，連續穩定運行超過1000小時，且性能無明顯衰減。團隊將該陽極與自制的鎳鉬氧化物陰極組裝成全電解池，并與商業太陽能電池集成，構建了光伏-電解水(PV-EC)一體化器件。該器件實現了27.10%的太陽能到氫能轉化效率，并穩定運行超過500小時，展示了其在未來可再生能源制氫領域的應用潛力。該研究提出的一體化設計理念，系統整合了從宏觀到微觀的多尺度優化策略，為開發面向工業應用的高效穩定電催化劑提供了新思路。
 

　　相關研究成果以“All-for-one design of cobalt phosphide anode for robust water oxidation and solar-to-chemical conversion”為題，于近日發表在《能源化學》(Journal of Energy Chemistry)上。該工作的共同第一作者為我所Rashid Mehmood博士、范文俊副研究員和杜仕文博士。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。