缺陷工程与电子调控协同构建CoP/Co3O4/氮掺杂碳纳米纤维异质结高效双功能电解水催化剂

本文推荐一种通过静电纺丝-碳化-氧化-磷化策略构建的CoP/Co3O4/N-CNFs异质结催化剂，其界面效应与氮掺杂协同优化d带中心，实现HER（79 mV@10 mA·cm?2）和OER（287 mV）近理论效率催化，DFT计算揭示氧空位促进中间体吸附，为非贵金属双功能电解水催化剂设计提供新范式。

　　

亮点聚焦

材料与试剂

采用六水合硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)、钌 dioxide (RuO₂)、甘氨酰甘氨酸等原料，通过静电纺丝将聚丙烯腈(PAN)与金属前驱体复合，经梯度热处理获得具有分级孔隙的纳米纤维基底。

催化剂表征

XRD证实Co₃O₄(JCPDS 74-1656)与CoP的共存，TEM显示磷化过程产生的氧空位显著提升电荷传输效率。同步辐射证实Co²⁺/Co³⁺氧化还原对的电子再分布，XPS揭示N-CNFs中吡啶氮对金属d轨道的调控作用。

理论计算

DFT模拟显示CoP/Co₃O₄异质结存在从Co₃O₄到CoP的电子转移（差分电荷密度图中黄色区域），使Co位点d带中心下移0.35 eV，优化H和OH吸附自由能（ΔG_H=-0.12 eV，ΔG_OH=1.45 eV），理论预测与实验过电位高度吻合。

结论

该工作通过"三明治"策略构建的CoP/Co₃O₄/N-CNFs-370-1:40催化剂，实现以下突破：①异质结界面诱导电荷再分配；②磷化产生的氧空位降低反应能垒；③原位生成的Co(OH)₂/CoOOH活性物种提升稳定性。该设计为开发兼具高活性与耐久性的电解水催化剂提供新思路。