陈志敏教授科研团队在如何提高过渡金属磷化物的电催化析氢反应(HER)活性，提升其在工业制氢潜力方面，设计开发了一种新颖的碳纳米管负载硼（B）掺杂CoP纳米粒子的电催化析氢材料（B-CoP/CNT），并在实验和理论上首次揭示了B掺杂对CoP电子结构的调制，实现宽pH高效稳定的电催化产氢。研究者们以硼氢化钠作为还原剂和硼源，通过简单的静电组装、原位还原、退火和磷化氢低温磷化等过程获得了B-CoP/CNT复合材料，材料中超细的B-CoP纳米颗粒(约3~ 7nm)均匀、致密地包裹在碳纳米管表面，保证了催化活性位点的暴露。结合实验和理论计算发现，低电负性B掺杂原子可以改变与其相连Co和相邻P原子的局部电子构型，提高Co原子的电子离域能力以获得高电导率。同时局域电子结构调变也优化了活性位上H*吸附吉布斯自由能，使得材料拥有更好的HER动力学性能，实现宽pH（酸性、中性和碱性介质）高效且稳定的电催化产氢。尤其是在中性和碱性介质中，大电流密度（>100 mA cm-2）下， B-CoP/CNT优异的HER性能甚至超过了商用Pt/C。这项工作将为开发用于制氢的高活性非贵金属电催化剂开辟了新的视角和思路。该研究工作以“Boron-Induced Electronic-Structure Reformation of CoP Nanoparticles Drives Enhanced pH-Universal Hydrogen Evolution” 为题发表于Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 10.1002/anie.201915254上.
图 通过B原子掺杂实现CoP电子结构的优化从而显著促进HER性能
