近日，校定TOP期刊Nature Communications在线发表了我院周海青、余芳教授等人合作的学术论文“Built-in electric field engineering in Co₂N_0.67/CoP heterostructures for glycerol electrooxidation-assisted hydrogen production”。该研究聚焦电解水制氢能耗高的关键问题，创新性地将金属性氮化钴与磷化钴纳米颗粒复合，成功开发出一种新型钴基异质结催化剂（Co₂N_0.67/CoP），通过精准调控内建电场，显著提升了碱性条件下析氢、甘油电氧化反应活性，实现了高附加值氢气和甲酸盐的低能耗制取。系列结构表征与电催化性能测试表明，CoP与Co₂N_0.67之间存在显著的功函数差异，可在异质界面处自发形成强内建电场，驱动电子从CoP向Co₂N_0.67定向迁移，在CoP界面形成富OH*物种的贫电子区，在Co₂N_0.67界面形成促进氢吸附的富电子区，协同促进甘油和H*的共吸附过程。在碱性介质中，该催化剂对析氢/甘油电氧化反应表现出优异的催化活性，仅需-141 mV和1.44 V的电位即可驱动500 mA cm^-2，性能显著优于单一组分催化剂。在以Co₂N_0.67/CoP作为阴/阳极的阴离子交换膜流动池中，该系统可在1 A cm^-2的工业级电流密度下稳定服役超过260小时，甲酸盐法拉第效率始终保持在85%以上，展现出良好的工业应用潜力。在此基础上，团队在国际上率先创新催化机理解析思路，借助多尺度原位谱学技术揭示了甘油电氧化反应在低电位下遵循OH*主导的直接氧化机制，在高电位下转变为CoOOH参与的间接氧化途径，并结合密度泛函理论计算阐释了可能的析氢活性位点。

氢能作为理想的清洁能源载体，是实现“双碳”目标的关键路径之一。碱性电解水制氢技术因成本低廉、系统成熟，已成为当前绿氢生产的主流方向。然而，其阳极侧的析氧反应存在动力学缓慢、热力学能垒高等问题（理论电位>1.23 V），是制约整体能量效率提升的主要瓶颈。如何在降低电解能耗的同时，实现高效、稳定的氢气产出，是电解水制氢领域亟待解决的核心科学问题。将热力学更优、动力学更快的有机小分子氧化反应替代析氧反应，构建“混合水电解”体系，是突破这一瓶颈的有效策略。甘油作为生物柴油产业的主要副产物，来源广泛、价格低廉，是一种理想的生物质平台分子。从热力学角度看，甘油分子含有多个羟基，其电氧化反应的起始电位远低于析氧反应。更重要的是，甘油电氧化反应可以将廉价的甘油转化为高附加值化学品，如甲酸盐、甘油酸盐等，其中甲酸盐广泛应用于医药、食品、化工等领域，具有显著的经济价值。由此可见，用甘油电氧化反应替代析氧反应，不仅能从根本上降低制氢能耗，更是实现生物质资源高值化利用的重要途径，具有“节能降耗”与“增值增效”的双重意义。针对这些问题，氢能量子催化团队专注于异质结电催化材料的多尺度表界面调控，发展了系列高性能的异质结催化材料，系统解决了传统碱性水电解、混合水电解制氢反应在高电流密度下催化活性不足、制氢能耗高与稳定性欠佳的关键难题，取得了系列创新性研究成果：PNAS2017,114, 5607；Nat. Commun.2018,9, 2551；Energy Environ. Sci.2018,11, 2858；Adv. Funct. Mater.2023,33, 2209465；ACS Nano2023,17, 1681；Adv. Mater.2024,36, 2305685；Adv. Mater.2024,36, 2405852；Energy Environ. Sci.2025,18, 1320；Adv. Funct. Mater.2025,35, 2419609；Nano Lett.2025,25, 9221；Energy Environ. Sci.2025,18, 7695，授权美国、中国发明专利9项，获批企业横向课题2项。

我院博士生章勇为论文的第一作者，余芳、周海青教授为本论文的通讯作者，诸侯ok1133为论文的第一及通讯单位。该工作获得了国家海外高层次人才项目、湖南省首批揭榜挂帅项目、国家自然科学基金面上项目、青年项目等基金的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70731-6

https://mp.weixin.qq.com/s/AZBdNex3aIIK5qha_Mno8Q

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https://mp.weixin.qq.com/s/qw40XUs6Sq7Q60PCpAMR4w

一审：周海青

二审：贺兵香

三审：廖洁桥