低成本鈷磷化物催化劑在水中產氫時自我重塑表面以防止損壞

東北大學的研究人員表示，一種名為鈷磷化合物（CoP）的低成本催化劑在從水中製造氫氣的過程中會自行重塑表面，而這一變化似乎能夠保護其免受損壞。該研究於 10 月 29 日發表在《美國化學學會期刊》，由該校先進材料研究所的李浩教授擔任資深作者。12 位作者中，郭中原名列首位。催化劑是一種能加速化學反應而不會被消耗的材料。水分解利用電力將水分解為氫氣和氧氣，其氫氣生成部分需要催化劑。

該大學將 CoP 描述為從水中生產氫氣的有前景且更低成本的替代品，相較於鉑金。電腦模型預測，在氫氣生產條件下，CoP 會不穩定，但實驗室的實驗顯示，它在酸性、中性及鹼性水中仍然保持活性和耐久性。

CoP 催化劑的特性與優勢

該研究提出，CoP 的表面在電解過程中會隨著施加的電壓而改變。較低電壓時，氫氧基（P-OH，連結的氧和氫原子）會在磷位點上形成，幫助附近的鈷原子激活水並結合氫氣；而在較高電壓下，鈷和磷的表面則會填充含氫物種（Co-H 和 P-H）。研究團隊指出，這有助於在廣泛的 pH 值範圍內平衡氫氣的結合和釋放強度。該論文將這一現象稱為操作中的表面動態，意指催化劑在工作時其表面會變化，而非在之前。

這些表面物種似乎還形成了一層保護層。根據發布的資料，該保護層限制了氧化並防止鈷和磷溶解，這解釋了為何 CoP 能在模型預測會使其分解的條件下生存。

未來研究方向及挑戰

東北大學的研究人員在 2025 年描述了一種針對低成本氫氣陰極的獨立表面重建策略。研究團隊分析了約 886 種基於 CoP 的催化劑的 2,282 個觀察結果，這些結果來自大約 700 篇出版物，並使用了人工智能輔助的數據挖掘、計算機模擬和實驗室實驗。隨後，他們對 CoP 納米片進行了預測測試，這些納米片是該材料的超薄片。光譜學確認了預測的表面物種，並且與氘的實驗支持了氫與磷的結合。

該催化劑在所有三個 pH 值下表現強勁，並且需要相對較少的額外電壓，雖然發布的資料並未提供具體數字。它在超過每平方釐米 1 安培的電流密度下穩定了 24 小時（約 6.5 安培每平方英寸）。

目前的結果仍屬初步。發布的資料將這一機制描述為一項提議，僅報告了 24 小時的測試，並未提供電壓數據、成本數據或資金來源，也未說明 CoP 在更長時間運行中的表現。另一種不含貴金屬的鈷氧化物催化劑在高電流下運行超過 100 小時。作者建議，這些發現可能有助於開發更便宜、更具多功能性的催化劑以生產綠色氫氣，這是利用可再生電力製造的，同時設計者應考慮在實際運行條件下表面的變化。

鈷磷化合物催化劑的潛在影響

鈷磷化合物催化劑的研究顯示了其在氫氣生產中的潛力，尤其是在降低成本方面。由於其能在不同 pH 環境中保持穩定性，這使得其在實際應用中更具可行性。研究中提到的自我重塑表面現象，能有效防止催化劑的損壞，這對於長期運行的催化劑至關重要。未來的研究將需進一步驗證其在長時間運行中的表現，並探索如何將這些發現轉化為實際的商業應用，特別是在綠色氫氣生產的領域。