氢能作为零排放、高能量密度的理想能源载体，电化学全解水是其绿色制备的核心路径。然而，阴极析氢反应（HER）与阳极析氧反应（OER）动力学缓慢，亟需低成本、高活性、长寿命的双功能电催化剂。近日，福州大学张久俊院士团队在ENGINEERING Energy发表重要研究成果：以富氮多孔 Co-MOF 为前驱体，构建氮磷共掺杂空心碳纳米棒负载 CoP/Co₂P 异质结（CoP/Co₂P@NC-400-10P），实现碱性条件下高效、稳定的全解水催化，为非贵金属电催化剂设计提供全新思路。

论文亮点：1. 结构创新：首次以棒状 Co-MOF（SCNU-Z2）为自牺牲模板，通过氧化-磷化两步法，制备N、P 共掺杂空心碳棒负载 CoP/Co₂P 异质结，开放空心结构大幅提升活性位点暴露与电解液浸润。

2. 界面调控：CoP 与 Co₂P 界面强电子耦合，加速电荷转移、优化电子结构，DFT 计算证实氢吸附吉布斯自由能（ΔG_H*）显著优化至-0.097 eV，接近理想催化状态。

3. 性能优异：碱性介质中，10 mA/cm² 电流密度下，HER 过电位仅 127.6 mV，OER 过电位仅 279.4 mV；100 mA/cm² 时 HER 过电位 272.3 mV、OER 过电位 407.1 mV，高电流密度下优于商用 RuO₂。

4.稳定耐用：两电极 AEM 电解槽（CoP/Co₂P@NC-400-10P||CoP/Co₂P@NC-400-10P），100 mA/cm² 仅需 1.83 V，连续运行 100 h 电压衰减可忽略，稳定性远超 RuO₂||Pt/C 体系。

5. 机理清晰：原位表面重构形成钴基（羟基）氢氧化物，为 OER 真实活性位点；异质结内建电场协同空心结构，实现动力学与稳定性双重提升。

论文概要：1、材料制备与结构表征

研究以富氮棒状 Co-MOF（SCNU-Z2）为前驱体，先空气氧化得到 Co₃O₄@NC，再以 NaH₂PO₂·H₂O 为磷源，精准调控磷化温度（400 ℃）与磷源比例（1:10），原位刻蚀形成空心结构，同步生成 CoP/Co₂P 异质结。

图1.CoP/Co?P@NC?400?10P 制备示意图与结构表征

PXRD 证实 CoP 与 Co₂P 晶相共存；TEM/HRTEM 显示清晰空心纳米棒形貌，管壁多孔，晶格条纹对应 CoP（211）与 Co₂P（120）晶面；XPS 与 EDS 验证 Co、P、C、N、N、P 均匀分布，成功构建 N、P 共掺杂碳负载 CoP/Co₂P 异质结结构。

2、电催化性能测试

HER 性能：CoP/Co₂P@NC-400-10P 在 1.0 mol/L KOH 中，10 mA/cm² 过电位 127.6 mV，100 mA/cm² 过电位 272.3 mV，塔菲尔斜率 97.2 mV/dec，电荷转移电阻仅 7.48 Ω，动力学优异。

OER 性能：10 mA/cm² 过电位 279.4 mV，100 mA/cm² 过电位 407.1 mV，塔菲尔斜率 77.8 mV/dec，低于商用 RuO₂（87.3 mV/dec），高电流密度优势显著。

全解水性能：两电极 AEM 电解槽100 mA/cm² 仅需 1.83 V，100 h 恒流测试电压仅上升 100 mV，法拉第效率接近 100%，稳定性远超贵金属体系。

图2.碱性介质中催化剂 HER、OER 电催化性能

3、理论计算与催化机理

DFT 计算表明：CoP/Co₂P 异质结界面发生显著电荷重分布，Co 原子周围电子耗尽、P 原子电子富集，形成内建电场加速电荷转移；Co 3d 轨道 d 带中心下移，适度弱化 H吸附，ΔG_H优化至?0.097 eV，大幅提升 HER 本征活性。

图3.CoP/Co₂P 异质结 DFT 计算

同时，OER 过程中催化剂表面原位重构生成高活性 CoOOH，为 OER 真实活性位点；空心碳载体缩短传质路径、暴露更多活性位点，与异质结界面效应协同，实现高效稳定全解水催化。

本研究成功开发 MOF 衍生空心碳负载 CoP/Co₂P 异质结双功能电催化剂，通过界面电子调控与空心结构设计，同步实现 HER/OER 高活性、高稳定性，碱性全解水 100 mA·cm^-² 仅需 1.83 V，100 h 无明显衰减，性能优于多数非贵金属催化剂。该工作验证异质结界面工程 + MOF 衍生空心结构在高效电催化剂设计中的有效性，为过渡金属磷化物基双功能电催化剂的结构优化、机理研究与工业化应用提供重要参考，有望推动低成本、高效能碱性电解水制氢技术的规模化发展。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-026-1062-4