电解水催化剂的高效、低成本设计制备作为推动制氢技术应用发展的关键，过渡金属磷化物（TMPs）在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中显示出了优异的催化活性和稳定性，被广泛应用于制备氢气、电池等领域，具有重要的理论和应用价值。然而，催化剂中的金属活性位点对HER和OER反应过程中间体的吸附选择性与亲和性研究仍存在很多不足，同时，元素掺杂等催化剂调控手段引起的电化学性能改善机理阐述仍不够完善。因此，本文报道了微量的Zn元素掺杂于NiCoP纳米针（Zn-NiCoP）中，明显改善了碱性电解水过程中的HER和OER电化学性能，同时对Zn金属位点取代过程与机理展开了详细研究。

通过XRD、SEM、TEM、XPS等表征手段对Zn-NiCoP催化剂进行了形貌、物相以及化学态分析；通过电化学测试对催化剂在1M KOH中进行析氢、析氧催化活性和稳定性等分析，同时作为双功能催化剂考察全解水性能并与商业催化剂进行对比；最后通过密度泛函理论计算（DFT）分析Zn金属取代NiCoP中的Ni和Co位点对HER和OER的影响，解释材料的催化机制。

上海大学赵玉峰教授课题组通过梯度升温水热和磷化工艺制备了微量Zn掺杂（2.18 wt.%）的由纳米颗粒聚集形成的NiCoP纳米针催化剂（Zn-NiCoP）。研究发现Co和Ni位点都可以被Zn金属位点取代，Zn位点取代Co时能够显著改善HER电化学性能，同时Zn位点取代Ni则能够大大降低了速率决定步骤的能垒（*O→*OOH）,Zn掺杂后d带中心的负移改善了中间体解吸而促进反应的进行。Zn-NiCoP在10 mA·cm^-2的电流密度下，HER过电位仅为48mV，在50 mA·cm^-2的电流密度下，OER过电位为240mV，表现出优异的双功能电催化活性。以Zn-NiCoP作为阴阳极的水分解电解池实验中，10 mA·cm^-2的电流密度仅需1.35V，同时展现了良好的稳定性。本研究为探索非贵金属催化剂、减轻贵金属依赖提供了参考和借鉴。

图1 Zn-NiCoP的制备流程和电镜表征分析

图2 Zn-NiCoP的XRD和XPS分析

图3 Zn-NiCoP的HER和OER电化学测试

图4 Zn-NiCoP全解水性能分析

图5 Zn位点对Ni和Co位点取代后的HER和OER理论计算分析

赵玉峰教授课题组长期从事电解水制氢的关键材料及技术相关研究，课题组拥有先进的科研设施，包括超净化手套箱、电化学工作站、蓝电池测试系统、旋转环盘电极、高低温变温测试箱、全套软包电池设备、静电纺丝设备、冷冻干燥机、公斤级气氛炉、马弗炉等。迄今为止在Nat Commun、PNAS、Angew Chem、Adv Mater、Energy Enviorn Sci、Adv Energy Mater、Adv Func Mater等国际期刊发表SCI收录论文190余篇；申请国家发明专利30余项；主持多项国家自然科学基金等省部级以上项目，获省级人才计划等。

Gao Y, Qiao Y, Li X, et al. Bimetallic site substitution of NiCoP nanoneedles as bifunctional electrocatalyst for boosted water splitting. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6952-3.