钴基（Co）HER催化剂的设计、性能与应用进展

钴（Co）基催化剂在氢气析出反应（HER）中表现出优异的性能，尤其是在非贵金属催化剂领域。Co基催化剂因其成本低、资源丰富以及良好的催化活性，成为替代贵金属催化剂（如Pt）的重要候选材料。以下将从Co基催化剂的结构特性、合成方法、催化性能及其在碱性介质中的表现等方面进行详细分析，并结合多篇文献中的实验数据和图表进行说明。

Co基催化剂的结构特性与合成方法

Co基催化剂的性能与其结构密切相关。研究表明，Co基催化剂的催化活性主要来源于其表面的活性位点、电子结构以及与载体之间的相互作用。例如，CoOx@CN（钴–钴氧化物/氮掺杂碳）催化剂通过将金属钴与钴氧化物结合，并引入氮掺杂的碳材料，实现了优异的HER性能。这种结构设计不仅提高了催化剂的导电性，还增强了其对H+的吸附能力。

此外，CoP-Co_xO_y复合材料也是一种高效的HER催化剂。通过在碳基底上构建CoP与CoxOy的异质结构，可以实现电子结构的优化，从而降低HER的过电位。实验表明，CoP-CoxOy在1 M KOH溶液中表现出-43 mV的10 mA cm⁻²电流密度，其塔菲尔斜率为43.0 mV/dec，显示出优异的催化活性。

Co基催化剂的合成方法对其性能也有重要影响。例如，通过水热法和磷化反应可以制备出具有纳米片结构的Mo-CoP催化剂，该催化剂在HER和OER反应中均表现出良好的性能。Mo的引入不仅增强了Co的电子结构，还提高了其对H+的吸附能力，从而降低了HER的过电位。

Co基催化剂在HER中的催化性能

Co基催化剂在HER中的催化性能主要体现在其过电位、塔菲尔斜率、电流密度以及稳定性等方面。研究表明，Co基催化剂的过电位通常低于贵金属催化剂，例如Pt/C催化剂。在1.0 M KOH溶液中，Co₁催化剂表现出~40 mV的起始电位，与Co₃O₄纳米片和CoOx催化剂相当。此外，Co₁催化剂在2000次循环后仍能保持稳定的电化学性能，表明其具有良好的稳定性。

CoO_x@CN催化剂在HER中的表现尤为突出。该催化剂在碱性介质中表现出85 mV的起始电位，低的充放电电阻（41 Ω），以及优异的稳定性。实验表明，CoO_x@CN在HER中的电流密度最高，且其过电位最低，表明其在HER中具有最高的催化活性。此外，CoOx@CN在OER反应中也表现出优异的性能，其过电位仅为0.26 V，与许多非贵金属催化剂相当。

CoS@C催化剂在HER中的表现也十分优异。通过将CoS与碳材料结合，可以形成具有高比表面积和丰富活性位点的催化剂。实验表明，CoS@C在1.0 M KOH溶液中表现出310 mV的塔菲尔斜率，其电流密度在10 mA cm⁻²时达到峰值。此外，CoS@C在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

Co基催化剂在碱性介质中的性能

在碱性介质中，Co基催化剂的性能通常优于其在酸性介质中的表现。例如，CoNPs-Co/N-CNSs催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出优异的HER性能。实验表明，该催化剂在LSV曲线中表现出较高的电流密度，且其塔菲尔斜率较低，表明其在HER中具有较高的反应速率。此外，该催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

R-CoC₂O₄@MXene催化剂在碱性介质中表现出优异的HER性能。实验表明，该催化剂在低电流密度下表现出较高的电流密度，且其过电位与电流密度的关系线性较好，表明其在HER中具有较好的电流密度响应性。此外，该催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

CoP-Co_xO_y催化剂在碱性介质中表现出优异的HER性能。实验表明，该催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出-43 mV的10 mA cm⁻²电流密度，其塔菲尔斜率为43.0 mV/dec，表明其在HER中具有较高的反应速率。此外，该催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

四、Co基催化剂的结构优化与性能提升

为了进一步提升Co基催化剂的性能，研究者们通过结构优化和材料设计来改善其催化性能。例如，通过引入氮掺杂的碳材料，可以增强Co基催化剂的导电性和稳定性。实验表明，Co-NG催化剂在HER中表现出最高的电流密度，且其过电位最低，表明其在HER中具有最高的催化活性。此外，Co-NG催化剂的TOF值最高，表明其在HER中具有最高的催化效率。

通过引入Mo元素，可以进一步优化Co基催化剂的电子结构。例如，Mo-CoP催化剂在HER中表现出优异的性能。实验表明，Mo-CoP催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出112 mV的10 mA cm⁻²电流密度，其塔菲尔斜率为43.0 mV/dec，表明其在HER中具有较高的反应速率。此外，Mo-CoP催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

通过构建异质结构，可以进一步优化Co基催化剂的催化性能。例如，CoS/MoS₂杂化催化剂在HER中表现出优异的性能。实验表明，CoS/MoS₂杂化催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出最高的电流密度，且其过电位最低，表明其在HER中具有最高的催化活性。此外，CoS/MoS₂杂化催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

Co基催化剂的稳定性与长期性能

Co基催化剂的稳定性是其在实际应用中能否长期稳定运行的关键因素。研究表明，Co基催化剂在长期使用后仍能保持较高的催化活性。例如，Co₁催化剂在2000次循环后仍能保持稳定的电化学性能。此外，CoO_x@CN催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

CoS@C催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。此外，R-CoC₂O₄@MXene催化剂在5000次循环后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性。

总结

Co基催化剂在HER中表现出优异的性能，尤其是在非贵金属催化剂领域。通过结构优化、材料设计和合成方法的改进，Co基催化剂的催化性能得到了显著提升。未来的研究应进一步探索Co基催化剂的结构优化和性能提升策略，以推动其在实际应用中的广泛应用。