原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.07.008

原文PDF：1-s2.0-S2666952825000779-main.pdf

【文章导读】

随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢能作为一种绿色能源载体备受关注。电催化水分解是制备高纯度氢气的重要途径，其中析氢反应（HER）和析氧反应（OER）是关键步骤。然而，目前，高效的电催化剂多依赖于贵金属（如Pt、Ru、Ir），其成本高昂，限制了电催化的大规模应用。因此开发低成本、高性能的非金属电催化剂成为当前研究的热点。石墨作为一种来源广泛、导电性优良的碳材料，可以通过杂原子掺杂有效调控其电子结构，引入催化活性位点，展现出替代贵金属催化剂的潜力。

哈尔滨理工大学杨照地教授课题组以廉价的石墨粉、三聚氰胺和NaH2PO2为原料，采用高温气相法制备N/P共掺杂石墨纳米片（NP-GP），表现出优秀的双功能电催化OER和HER活性，文章发表Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Economical N/P co-doped Graphite Nanosheets for Electrocatalytic Bifunctional HER and OER”。

【研究亮点】

■ N/P共掺杂石墨纳米片（NP-GP）通过两步CV活化策略，实现高效HER与OER双功能催化。

■ 在碱性条件下OER过电位仅为314 mV（10 mA cm^-2），酸性条件下HER过电位低至69.4 mV（-10 mA cm^-2）。

■ 系统揭示CV活化对活性位点的调控机制，碱性CV活化将吡啶氮转化为邻醌结构（OER活性位点），并将磷基团氧化为C–O–P=O(OH)₂（HER活性位点）。

【内容概述】

该研究以石墨粉、三聚氰胺和次磷酸钠为原料，采用高温气相法制备N/P共掺杂石墨纳米片（NP-GP），并通过先碱性后酸性的两步循环伏安（CV）活化策略，显著提升其HER和OER催化性能。图1展示了NP-GP的制备与活化流程，清晰说明材料合成与电化学活化的关键步骤。通过XRD、FT-IR和SEM揭示了材料晶体结构、官能团与形貌变化，证实了掺杂与活化带来的结构与形貌变化（图2）。结果表明掺杂前后的石墨纳米片都保持了六方晶系的骨架结构。掺杂产生的缺陷导致衍射峰的强度有所降低。掺杂和活化前后N、P官能团的变化。掺杂的石墨纳米片为片层结构，并在稳定性测试后其表面出现微孔结构。

图1.  N/P 共掺杂石墨纳米片的制备及活化过程。

图2. N-GP和NP-GP的XRD、FT-IR和SEM图。（a）N-GP和NP-GP的XRD图。（b） N-GP和NP-GP的FT-IR图。（c）初级煅烧N-GP的SEM。（d）3次煅烧N-GP的SEM图。（e）NP-GP的SEM图。（f）稳定性测试后NP-GP的SEM图。

此外，XPS分析确认了N和P的成功掺杂及其在石墨碳骨架内的存在形式（图3）。对比活化前后N-GP和NP-GP官能团的变化，进一步确定其在活化过程中存在化学态的转变，如吡啶N向邻醌转化，磷基团向C–O–P=O(OH)₂转化。系统电化学测试显示，相较于未活化的NP-GP，活化后NP-GP的过电位、Tafel斜率以及转移电阻明显降低，其中最优样品1-P-NC(3:1)在OER和HER中均表现出低过电位、小Tafel斜率和低电荷转移电阻（图4）。同时，通过对比实验阐明了碱性CV活化对HER性能提升的关键作用，确认C–O–P=O(OH)₂为HER的主要活性位点，邻醌结构仅作为碱性OER位点，但其对于酸性HER无明显贡献（图5）。

图3. N-GP和NP-GP的XPS谱图。

图4. （a-d）NP-GP在1.0 M KOH中的OER电化学测试图。（e-h）NP-GP在0.5 M H₂SO₄中的HER电化学测试图。

图5. （a）NP-GP的CV曲线（1 M KOH）;（b）NP-GP的CV曲线（0.5 M H₂SO₄）;（c）NP-GP的LSV曲线（0.5 M H₂SO₄）;（d）N-GP的LSV曲线（0.5 M H₂SO₄）;（e）NP-GP的活化和催化机制图。

【总结与展望】

该研究成功开发了一种经济高效的N/P共掺杂石墨纳米片双功能电催化剂，通过两步CV活化策略精准构建HER与OER活性位点，实现了优异的催化性能与稳定性。该工作为后续设计非金属碳基电催化剂提供了新思路，推动其在可再生能源转换与存储领域的实际应用。

【文章信息】

W. He, Z.-D. Yang, Y. Liu, Y. Zhang, G. Zhang, Economical N/P co-doped Graphite Nanosheets for Electrocatalytic Bifunctional HER and OER, Green Chemical Engineering, https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.07.008 (2025).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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