近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在非金属电催化剂双产氢设计和机制研究方面取得重要进展：相关研究成果以“One stone, three birds: dual hydrogen production from water reduction and formaldehyde oxidation predicted on metal-free electrocatalysts”为题，发表在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。郑州大学为第一单位，我院硕士研究生霍东钰和博士研究生杨光为共同第一作者，通讯作者为我院任晓燕副教授和李顺方教授。

氢能被认为是一种高效、清洁和高能量密度的可再生能源，有望取代化石能源成为新一代能源舞台上闪耀的新星。电催化分解水作为一种快速、安全的高纯度制氢方法，近年来备受研究人员关注。电解水技术发展的主要瓶颈是阳极表面缓慢的析氧反应（OER），导致整个反应能耗高、能量转换效率低。此外，目前电解水采用的主流催化剂依赖于d-block贵金属，由于其价格昂贵难以在商业中广泛应用。因此，设计和制备成本相对较低且合成方法简单的p-block非金属基催化剂提高电解水的制氢效率具有重要意义。针对上述问题，研究团队通过第一性原理计算方法，提出在g-C₃N₄/石墨烯异质结构中引入硼二聚体（B₂）作为活性中心（B₂@C₃N₄/Gra），实现了“一石三鸟”的高效双电极产氢功能：在阴极全pH范围内以0.26–0.31 V的超低过电位实现高效析氢反应（HER）；在阳极通过甲醛氧化反应（FOR）替代迟缓的OER过程，将产氢的极限电位进一步降低至0.20 V，性能优于目前已报道的贵金属催化剂；该策略具有良好的普适性，可拓展至其他低电负性p-block非金属元素（如P、As、Si）掺杂体系，为多元非金属催化剂的设计提供了新思路。其高效催化机制源于B₂掺杂诱导的电荷转移与自旋调控的协同作用，有效调节了C₃N₄/Gra活性中心的p带中心与局域自旋态，从量子调控角度显著提升了其催化性能。该研究为开发经济、高效、绿色、稳定的p-block电催化剂提供了新思路，对推进氢能经济与清洁能源技术发展具有重要意义。

图1. B₂@C₃N₄/Gra电催化剂“一石三鸟”策略示意图。

该工作得到了国家自然科学基金的支持。

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