电解水是一种极具吸引力的工业制氢技术，但它的推广应用仍有赖于开发高性能的非铂基氢析出反应（HER）电催化剂。目前，适用于全pH范围的HER催化剂受到广泛关注。尤其值得指出的是，中性电解质不仅可以有效避免腐蚀和环境问题并降低成本，而且有望应用于前景广阔的直接海水电解及微生物电解，但开发高性能的非铂基HER催化剂以用于中性全电解水仍然具有很大的挑战性。催化剂组成和结构的理性设计是提高电催化性能的有效策略。提高导电性和减小催化剂尺寸可以有效地促进电荷的快速转移并增加活性位点；掺入杂原子和构建异质的纳米界面可合理调控活性位点的电子结构，发挥界面协同效应，进而提高催化活性；具有中空结构的纳米阵列不仅具有较大的比表面积，而且有利于传质以及气体的释放，从而进一步提高催化活性。最近，基于上述设计理念，北京大学齐利民课题组利用生长于碳布基底上的金属有机框架（MOF）纳米阵列作为模板，通过原位转化制备得到具有优化的组成和结构的钌-钴磷化物（Ru-CoxP）中空纳米片阵列，并实现了其高效全pH电解水产氢催化性能（图1）。
图1.Ru-CoxP中空纳米片阵列应用于全pH电解水产氢。在之前的工作中，他们曾通过离子交换结合空气中退火的方法，将生长在碳布上的Co MOF纳米阵列转化为异质互掺的钌-钴氧化物中空纳米片阵列，并用于高效的碱性全电解水（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17219-17224）。在此基础上，他们通过离子交换结合低温磷化的方法，将Co MOF纳米片阵列转化为异质结构Ru-CoxP中空纳米片阵列，它由嵌入在无定形碳中的超小Ru-CoxP纳米晶组成（图2a）。该Ru-CoxP中空纳米片阵列显示出十分优异的全pH电解水析氢活性（图2b-d），在中性的1 M磷酸缓冲盐溶液（PBS）中，10 mA cm–2电流密度对应的过电位仅为21.6 mV，在碱性的1 M KOH溶液和酸性的0.5 M H2SO4溶液中对应的过电位分别为34.6 mV和22.7 mV。若将其作为HER催化剂与作为OER催化剂的(Ru-Co)Ox纳米片阵列配对组合构建非铂基中性全电解水槽，在10 mA cm–2电流密度下仅需要1.557 V的低槽电压（图2e）。这一优异的全pH电解水析氢活性，主要归因于其优化的化学组成和结构特点，包括杂原子掺杂、超小纳米晶、异质纳米界面、中空纳米阵列结构以及导电碳布基底等（图2f）。
图2. (a) Ru-CoxP中空纳米阵列的合成示意图，(b-d) 全pH范围的HER性能，(e) 中性全电解水性能，(f) HER性能提升的机理示意图。该研究工作近期以“Hollow Nanosheet Arrays Assembled by Ultrafine Ruthenium−Cobalt Phosphide Nanocrystals for Exceptional pH-Universal Hydrogen Evolution”为题发表（ACS Materials Lett. 2021, 3, 1695-1701）。论文第一作者为北京大学博士毕业生王成，通讯作者为齐利民教授。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。齐利民教授课题组网页：https://www.chem.pku.edu.cn/qilm/化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
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