直接用于甲醇燃料電池和同時氫氣生產的電催化劑以促進電化學甲醇氧化反應(MOR)是有意義但具有挑戰性的。

近日，新疆大學曹亞麗團隊制備了海膽狀鈷嵌入的N摻雜碳納米管(Co@NCNT)封裝的CoPt₃@Co₂P異質結(CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT)，以實現高效MOR和HER。

該催化劑獨特的3D管狀結構為氣態產物擴散、離子傳輸和電子轉移提供了有效的三相區域。隨后，嵌入Co₂P/Co@NCNT載體中的金屬Co通過簡單的原位取代反應被Pt NPs取代，形成與Co₂P連接的CoPt₃合金，并封裝在NCNT中，確保良好的分散性，暴露更多的活性位點，以及調節表面電子結構。

優化的CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT在活性和耐久性方面對MOR和HER表現出優異的電催化性能。酸性介質中，MOR質量活性(2981 mA mg_Pt^-1)是商業Pt/C的14.2倍。對于HER，在1 M KOH中，在10 mA cm^-2時的過電位僅為19 mV。

使用CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT進行陽極MOR和陰極HER的電解槽，僅需要1.43 V的低電壓就能提供在10 mA cm^-2的電流密度。XPS分析和理論計算表明，在界面處電子從CoPt₃轉移到Co₂P，其中CoPt₃上的電子空穴區有利于提高MOR活性，而Co₂P上的積累區有利于優化H₂O和H*吸收能。

因此，CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT協同效應導致活性位點數量增加、質量/電荷轉移加速、中間體的優化吸附以及電子結構改變，從而提升催化性能。這種簡便的合成策略賦予了CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT在其他有機物(例如甲酸、乙醇和尿素等)氧化反應以及HER催化制氫方面的巨大應用潛力。

In Situ Replacement Synthesis of Co@NCNT Encapsulated CoPt₃@Co₂P Heterojunction Boosting Methanol Oxidation and Hydrogen Evolution. Small, 2021. DOI: 10.1002/smll.202104656