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在永續能源與氫能經濟快速發展的時代，如何以「綠色化學」方法製備高效電催化材料，是材料科學的關鍵挑戰。

近期發表於 Small 期刊的研究團隊，提出一種以天然植酸（Phytic Acid, PA）為磷源的環保合成策略，成功製備出有機磷層修飾的 CoFe-LDH/Co(OH)₂ 電催化劑，展現出卓越的氧氣析出反應（OER）性能與長期穩定性。

一、綠色化學 × 植酸磷化的創新策略

傳統磷化過程常需使用有毒磷源（如 NaH₂PO₂），並在高溫下進行，產生危害氣體，不符環保原則。

本研究首度以**植物來源的植酸（Phytic Acid）**作為可再生、有機磷來源，兼具金屬螯合與電子調控能力。

• 六個磷酸基團提供溫和且均勻的磷化來源；

• 強金屬螯合能力可穩定 Co/Fe 電子結構；

• 綠色合成條件消除了毒氣排放問題。

最終得到的材料在保持層狀雙氫氧化物（LDH）結構的同時，形成約 120 奈米厚的均勻有機磷層，兼具保護與調控功能。

 

二、結構特徵與機制解析

透過 SEM、TEM、XRD、XPS 等多重表徵技術，證實磷元素均勻分佈於 CoFe-LDH/Co(OH)₂ 表面，並形成穩定的 P–O 與 M–P（M = Co, Fe）鍵結。

此設計有效解決傳統 LDH 兩大問題：

導電性不足導致電荷轉移受限；

高電位下結構腐蝕、活性衰退。

有機磷層同時優化孔結構與電荷通道，提升電子與反應中間體的遷移效率，並防止金屬流失。

 

三、卓越的電催化表現

• 在 10 mA cm⁻² 電流密度下，過電位僅 260 mV，明顯優於商用 IrO₂；

• Tafel 斜率僅 32.95 mV dec⁻¹，反應動力極佳；

• 在高電流（100 mA cm⁻²）連續運行 200 小時後，仍保持 98.09% 活性；

• 電化學阻抗譜（EIS）顯示，界面電荷轉移阻抗顯著下降；

• 原位拉曼分析證實，磷層能有效保護活性位點免於過度氧化。

 

四、磷的「雙重功能機制」

該研究首次揭示了磷在 OER 系統中的雙重作用：

• 物理保護層：防止金屬流失與結構崩解，維持催化穩定性；

• 電子結構調控：P–M 鍵改變 d 軌道電子密度，提升中間體吸附能匹配。

密度泛函理論（DFT）顯示，P 摻雜將速率決定步驟 (*O → *OOH) 的自由能障由 0.77 eV 降低至 0.70 eV，顯著提升了內在活性。

 

五、研究啟示與應用前景

這項研究展示了以生物來源的磷源取代傳統化學磷化的可行性，提供了兼顧高性能與環境友善的新方向。

未來可應用於：

• 金屬–空氣電池及水電解陽極材料

• 鹽水電解防腐蝕系統

• 再生能源與氫能產業

這不僅是對 OER 催化機制的深入詮釋，更象徵綠色化學理念在能源材料領域的具體落實。

實驗中使用的主要化學品與 CAS No.（含功能說明）

金屬前驅物（Metal Precursors）

• Cobalt(II) nitrate hexahydrate　Co(NO₃)₂·6H₂O　CAS 10026-22-9　→ 提供 Co²⁺，形成 CoFe-LDH 層狀結構主體

• Iron(III) nitrate nonahydrate　Fe(NO₃)₃·9H₂O　CAS 7782-61-8　→ 提供 Fe³⁺，與 Co 形成雙金屬氫氧化物

綠色磷源與表面修飾（Phosphorus Source / Surface Modifier）

• Phytic acid (50%)　C₆H₁₈O₂₄P₆　CAS 83-86-3　→ 天然有機磷化合物，形成有機磷層並進行電子調控

沉澱與生長助劑（Precipitation / Growth Agents）

• Urea　CO(NH₂)₂　CAS 57-13-6　→ 緩慢釋放 NH₃，控制溶液 pH 與 LDH 結晶速率

• Ammonium fluoride　NH₄F　CAS 12125-01-8　→ 改善奈米片均勻性，協助界面穩定成核

導電基底（Substrate）

• Nickel foam　Ni　CAS 7440-02-0　→ 作為導電支撐體，促進電子傳導與氣體釋放

溶劑與清洗劑（Solvents / Cleaning Agents）

• Ethanol (anhydrous)　C₂H₅OH　CAS 64-17-5　→ 洗滌與乾燥樣品

• Deionized water　H₂O　CAS 7732-18-5　→ 反應介質與清洗用水

pH 控制與前處理（pH Control / Pretreatment）

• Sodium hydroxide　NaOH　CAS 1310-73-2　→ 提供鹼性環境以形成氫氧化物層

• Hydrochloric acid (dilute)　HCl　CAS 7647-01-0　→ 基底酸洗與除氧化層

電化學測試（Electrochemical Testing）

• Potassium hydroxide (1 M electrolyte)　KOH　CAS 1310-58-3　→ 作為氧析出反應（OER）電解質

• Iridium(IV) oxide (reference catalyst)　IrO₂　CAS 12030-49-8　→ 貴金屬對照催化劑

電極製備與分散（Electrode Preparation / Binder）

• Nafion solution (5 wt%)　CAS 31175-20-9　→ 作為離子導電結合劑

• Isopropanol (2-Propanol)　CAS 67-63-0　→ 分散溶劑，用於電極塗佈製備

保護與操作環境（Protection / Gas Atmosphere）

• Argon gas (protective atmosphere)　CAS 7440-37-1　→ 排除氧氣，維持惰性環境

 

參考來源：

Shuo Liu, Yufan Zhang, Lin Hao, and Shigang Shen.

Organophosphorus Layer-Modified CoFe-LDH/Co(OH)₂ Electrocatalyst: Green Synthesis and Mechanistic Insights into Enhanced Oxygen Evolution Activity.

Small, Wiley-VCH, 2025.

www.small-journal.com