微花瓣结构钴掺杂FeMoB框架：用于安培级水电解高效产氢

《Small》：Micro-Petal Cobalt-Doped FeMoB Framework for Efficient Hydrogen Generation in Ampere-Level Water Electrolysis

氢能高效电催化材料开发及性能优化。采用双步水热法及热退火处理制备Co掺杂FeMoB微花瓣电极，实现HER过电位54 mV和OER过电位257 mV，在100 mA/cm2下表现优异。该催化剂在2000 mA/cm2电流密度下维持低整体电压2.87 V，连续稳定运行250小时，且在6 m KOH高温条件（60℃）下仍保持高效性能。结构表征显示Co掺杂显著提升电子结构调控能力，形成多晶增强型活性位点，并通过XPS证实元素协同效应。双功能体系在海水+1 m KOH中电压降至3.12 V，较传统Pt/Ru体系降低约40%。研究为低成本、高稳定性电解水制氢催化剂开发提供新策略。

　　氢能源作为未来清洁能源的重要组成部分，正受到全球范围内的广泛关注。由于其零碳排放、高能量密度以及良好的可回收性，氢被视为解决全球能源安全、环境恶化和长期气候变化问题的关键资源。然而，目前氢气的生产主要依赖于水的电解过程，其中关键的两个半反应——氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）——对催化剂的要求极高。传统的贵金属催化剂如铂（Pt）和铱（Ir）等虽然具有优异的催化性能，但其高昂的成本和有限的资源储量严重制约了其在大规模工业生产中的应用。因此，开发低成本、高性能且稳定的电催化剂，是推动氢能源技术商业化和可持续发展的核心挑战之一。

近年来，研究人员不断探索非贵金属催化剂的替代方案，以解决上述问题。其中，过渡金属硼化物（TM-B）因其成本低廉、资源丰富、良好的导电性和化学稳定性，成为水电解应用中的研究热点。特别是铁-钼-硼（FeMoB）体系，因其独特的电子结构调控能力，被广泛认为是具有潜力的双功能电催化剂。然而，如何进一步优化其性能，使其能够在工业条件下实现高效、稳定的水裂解反应，仍然是一个亟待解决的问题。

本研究提出了一种新型的双掺杂策略，即在FeMoB基体中引入钴（Co）元素，构建了一种具有微叶片结构的Co-掺杂FeMoB电催化剂。通过两步水热法合成前驱体，并结合热退火处理，成功制备了具有优异催化性能的Co/FeMoB微叶片（MP）结构。实验结果显示，该催化剂在1 M KOH溶液中表现出卓越的HER和OER性能，仅需54/257 mV的过电位即可达到100 mA cm?2的电流密度，这一表现使其成为当前最具有潜力的双功能电催化剂之一。在整体水裂解反应中，该催化剂能够在2000 mA cm?2的电流密度下实现仅2.87 V的超低电压，且在600 mA cm?2的条件下可保持连续250小时的稳定性，显示出其在工业应用中的巨大潜力。

进一步的实验表明，Co/FeMoB MP在6 M KOH溶液中，于60°C的高温条件下，能够在大电流密度（2000 mA cm?2）下实现仅2.26 V的超低电压，远低于传统贵金属催化剂的性能，这表明其在恶劣工业环境下的可行性极高。这种性能的提升主要归因于Co的引入对FeMoB基体的电子结构和表面活性位点的调控。Co元素的掺杂不仅优化了FeMoB的电子结构，还通过其多价态的特性，促进了HER和OER过程中的电子传递和氧化还原反应，从而提高了催化剂的整体效率。

从材料结构和性能分析来看，Co的引入显著改善了FeMoB的晶体质量和表面活性。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等手段，研究者发现Co元素在FeMoB基体中实现了均匀分布，并形成了纳米级的异质结构。此外，拉曼光谱分析显示，Co的掺杂改变了FeMoB的振动特性，产生了新的Co-O键合模式，这进一步验证了Co在FeMoB中的有效掺杂和结构修饰。X射线衍射（XRD）分析也表明，Co的引入促进了FeMoB晶体结构的优化，提升了其在不同pH环境下的适应性。

在电化学性能方面，研究者采用线性扫描伏安法（LSV）和循环伏安法（CV）对Co/FeMoB MP的HER和OER性能进行了系统评估。结果表明，300°C退火的样品在HER和OER中表现出最低的过电位，分别为160 mV和352 mV，且其电流密度与电化学活性表面积（ECSA）之间存在显著的正相关关系。ECSA的提高意味着更多的活性位点暴露于反应界面，从而加速了反应速率。同时，电化学阻抗谱（EIS）分析显示，300°C退火的样品具有最低的电荷转移电阻（Rct），表明其在电荷传输方面表现出色，这进一步支持了其在大电流密度下的优异性能。

Co/FeMoB MP不仅在电化学性能上表现出色，其在工业应用中的稳定性也得到了充分验证。在长时间的电化学测试中，该催化剂能够在高电流密度（如600 mA cm?2）下保持稳定，且在多种电解质环境中（包括高浓度碱性溶液和天然海水）均表现出良好的耐腐蚀性和结构完整性。此外，研究者还评估了其在不同pH条件下的表现，发现其在中性、酸性和碱性环境中均能实现高效的水裂解反应，尤其是在自然海水中，其性能远优于传统基准催化剂，仅需5.38 V的电压即可在1000 mA cm?2的电流密度下稳定运行。这表明，Co/FeMoB MP不仅适用于常规的电解条件，还能在复杂的工业环境中保持高效和稳定的性能。

为了进一步验证其在实际工业应用中的潜力，研究者还构建了双功能电极系统，并将其与贵金属催化剂进行对比。实验结果表明，Co/FeMoB MP在双功能体系中表现出显著的优越性，其在100 mA cm?2的电流密度下，整体水裂解的电压仅为1.54 V，远低于传统Pt/C和RuO?的性能。同时，在600 mA cm?2的条件下，其保持了250小时的稳定运行，显示出极强的长期耐久性。这种性能的提升不仅得益于Co的电子调控作用，还与FeMoB基体的多晶结构、丰富的活性位点以及扩展的电化学活性表面积密切相关。

从反应机制的角度来看，Co的掺杂对HER和OER的速率决定步骤（RDS）产生了显著影响。Co的引入降低了H*和O*等反应中间体的吸附与脱附能垒，从而加快了反应动力学。此外，Co的多价态特性使其在不同氧化还原状态下能够提供更多的活性位点，促进电子转移和离子扩散，提高催化剂的整体效率。这种多元素协同作用不仅优化了催化剂的电子结构，还增强了其在复杂电解质中的适应性。

本研究的创新之处在于，首次提出了一种将Co元素引入FeMoB基体的策略，并通过两步水热法和热退火工艺，成功构建了具有微叶片结构的Co/FeMoB电催化剂。该催化剂在多种电解质和操作条件下均表现出优异的性能，包括在高浓度碱性溶液和高温环境下的稳定性。此外，其在天然海水中的表现也表明，该催化剂具有广阔的应用前景，能够有效应对实际工业中复杂的离子环境和杂质问题。

总体而言，Co/FeMoB MP电催化剂的开发为氢能源技术提供了一种低成本、高性能且稳定的解决方案。其优异的电化学性能和长期稳定性，使其在大规模工业生产中具有极高的应用价值。未来，该研究为设计新型电催化剂提供了重要的理论依据和实验基础，同时也为推动氢经济的发展做出了积极贡献。