论文标题：Construction of CoP/Co₂P heterojunctions on hollow carbon rods as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting

期刊：ENGINEERING Energy

作者：Jinli Yao, Lingfei Li, Haishan Liu, Kaili Wang, Shu-Qi Deng, Wei Yan, Jiujun Zhang

发表时间：10 Apr 2026

DOI：10.1007/s11708-026-1062-4

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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/Co₂P@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 3 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 5 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。

总结与展望

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。

原文信息

Jinli Yao, Lingfei Li, Haishan Liu, Kaili Wang, Shu-Qi Deng, Wei Yan, Jiujun Zhang. Construction of CoP/Co₂P heterojunctions on hollow carbon rods as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting. ENG.Energy, 2026, 20(2): 10624 DOI:10.1007/s11708-026-1062-4

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通讯作者简介

颜蔚，研究员，英国皇家化学会会士，国际人工智能产业联盟会士，福建省百人计划，福建省B级人才。福州大学新能源材料科学与工程研究院执行院长。博士毕业于武汉大学，从事钠离子电池、电解水、燃料电池等研究。目前发表SCI学术论文110篇。E-Mail：weiyan@fzu.edu.cn

张久俊，中国工程院外籍院士，加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学材料科学与工程学院院长、新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告850余篇，编著书30本，书章节47篇，被引用93000多次（H-Index为134）。2014年起连续10年评为全球科技工程界论文高被引科学家；2014-2016年被汤姆斯-路透评为全球最有影响力的科学家之一；2018年被国际电化学能源科学和技术大会（EEST2018）授予终身成就奖。目前担任Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》主编，KeAi Publishing《Green Energy & Environment》、中国工程院院刊《ENGINEERING Energy》副主编，中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。2022年牵头获首批外国资深学者研究基金团队试点项目。邮箱: jiujun.zhang@fzu.edu.cn

关于ENG.Energy

ENGINEERING Energy（原Frontiers in Energy）是中国工程院院刊能源分刊，由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

ENGINEERING Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年影响因子为6.2,在“ENERGY & FUELS”学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在“Energy”领域排名#77/299；2025年即时IF为8.1，即时CiteScore为9.0。

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