氫能作為一種高熱值的可再生清潔能源，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)化石燃料的最理想的能源之一。其中，電化學(xué)水分解是最有前景的制氫技術(shù)。目前，工業(yè)電催化制氫仍以高純水為原料，而淡水資源的稀缺和凈化工藝的高成本限制了電化學(xué)水分解技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。由于世界上97%的水資源都存在于海洋中，電催化海水分解被認(rèn)為是其他制氫方法的合適替代品。

然而，由于海水化學(xué)成分復(fù)雜，大量溶解的離子鹽(尤其是氯離子)，容易使催化劑中毒，降低海水分解的耐久性。此外，在海水分解過程中，隨著鹽濃度的增加，催化劑的催化活性降低得更明顯。因此，開發(fā)高效、穩(wěn)定、耐鹽、耐腐蝕的電催化劑是推進(jìn)海水電解工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

近日，西北工業(yè)大學(xué)賀亦柏、史俊清和中國(guó)科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院黃小磊等通過一種簡(jiǎn)單的制備策略設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種高效的無粘結(jié)劑CoP/rGO@Ti (CoPGT)海水分解電極電催化劑。

具體而言，研究人員首先通過分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)分子和離子在CoP催化劑表面的分布情況。在催化劑上施加偏壓時(shí)，鹽離子被排出到水層外，而水分子優(yōu)先吸附在CoP催化劑表面的幾個(gè)原子區(qū)域，形成一個(gè)薄水層；由于這種行為減少了催化劑表面離子的競(jìng)爭(zhēng)，CoP催化劑在海水分解過程中對(duì)電解質(zhì)中鹽的積累具有明顯的抗性，從而獲得了良好的電催化性能。

值得注意的是，作為對(duì)比樣的Co₃O₄催化劑表面的各種離子是隨機(jī)分布的，沒有形成明顯的水層，大量的離子吸附在催化劑表面，與表面的水分子競(jìng)爭(zhēng)活性中心，阻礙了電解水反應(yīng)的進(jìn)行。

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，所制備的CoPGT催化劑具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較高的催化活性，在電流密度為10 mA cm^?2時(shí)，過電位僅為103 mV，并在堿性介質(zhì)中具有穩(wěn)定的長(zhǎng)期性能；即使在電流密度高達(dá)200 mA cm^?2時(shí)，該催化劑的過電位低至210 mV，遠(yuǎn)低于20% Pt/C催化劑(300 mV)。

更重要的是，由于CoP對(duì)Cl^?具有有效的排斥作用，隨著鹽濃度的增加，CoPGT仍能保持良好的催化性能和穩(wěn)定性(在10 mA cm^?2電流密度下，Cl^?濃度從0 M到飽和，過電位增加<28 mV)；此外，與20% Pt/C催化劑(溶解度為2.37%)相比，CoPGT催化劑在海水分解過程中的溶解度僅為0.04%，表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性能，這與模擬結(jié)果一致。

Corrosion-resistant cobalt phosphide electrocatalysts for salinity tolerance hydrogen evolution. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43459-w