鉴于对能源需求的日益增长和对环境污染的日益认识，开发清洁、可持续的能源和可再生技术迫在眉睫。氢能具有能量密度高、环保无污染的特点，被认为是传统化石燃料的替代能源。电解水制氢，涉及析氢反应(HER)，具有工艺清洁、资源丰富、产氢量高的优点，被公认为理想的制氢路线，可以解决能源可持续发展的问题。

锌空气电池(ZAB)作为一种有前景的能量储存和转换装置，因其具有环境友好、安全等优点而受到广泛关注。ZABs可实现循环充放电过程，涉及析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)，既可作为能量储存又可作为能量供给。考虑到OER和HER的过电位，电解水过程所需电压为1.5-2.3 V，可以由两个ZABs串联驱动。因此，ZAB可以被认为是一个中间的能源系统，它可以在白天将太阳能转化为电能，在晚上释放电能驱动水分解，充分利用间歇性的阳光，消除阳光限制。

基于此，南开大学袁忠勇等人合成了三功能Co_0.85Se/NC催化剂，催化剂还表现出良好的OER，ORR和HER性能。

本文在标准的三电极体系中对催化剂的催化性能进行了测试。Co_0.85Se/NC通过1.505 V的电压就可以驱动10 mA cm^-2的电流密度，低于CoSe₂/NC(1.520 V)，CoO/NC(1.586 V)，甚至低于贵金属IrO₂(1.516 V)。此外，CoSe₂/NC在100 mA cm^-2的电流密度下的过电位(406 mV)略高于IrO₂(367 mV)，但明显低于CoSe₂/NC(436 mV)和CoO/NC(506 mV)，并且Co_0.85Se/NC的OER活性优于大多数报道的钴基电催化剂，揭示了OER工艺的潜在实用价值。

此外，还以Pt/C为基准，评估了制备的催化剂在O₂饱和的0.1 M KOH电解质中的ORR性能。首先，Co_0.85Se/NC的起始电位(E_onset)为0.901 V，略高于CoSe₂/NC的0.879 V，但明显高于CoO/NC(0.769 V)和NC(0.724 V)，这是Co_0.85Se/NC具有优异ORR性能的有力证明。此外，Co_0.85Se/NC的半波电位(E_1/2)为0.797 V，仅略低于Pt/C(0.825 V)，远高于CoSe₂/NC (0.767 V)、CoO/NC(0.679 V)和NC(0.626 V)，结合起始电位的结果均表明其具有良好的ORR活性。

为了验证Co_0.85Se的实际应用性，还进一步研究了催化剂的HER性能。在1.0 M KOH中，Pt/C的HER性能最优异，过电位最低，但是Co_0.85Se/NC的HER性能紧随其后。当电流密度为10 mA cm^-2时，Co_0.85Se/NC过电位为216 mV，明显低于CoSe₂/NC(268 mV)、CoO/NC(308 mV)和NC(357 mV)，这表明了Co_0.85Se/NC有实际应用的潜力。

众所周知，过渡金属电催化剂的OER机理包括以下四个步骤：(1)*+OH^–→^*OH+e^–；(2)^*OH+OH^–→H₂O+^*O+e^–；(3)^*O+OH^–→^*OOH+e^–；(4)^*OOH+OH^–→*+O₂+e^–，而形成^*OOH中间体的第三步是OER中的关键步骤，对于具有更多高价态的硒化物催化剂有利于OH^–的吸附。

因此，本文Co³⁺/Co²⁺摩尔比较高的Co_0.85Se/NC比CoSe₂/NC具有更强的OER活性也就得以理解。对于Co_0.85Se/NC优异的ORR性能，则是得益于分散良好的Co_0.85Se颗粒和含有丰富吡啶-N和石墨-N的N掺杂碳之间的协同作用。

此外，纳米片结构的Co_0.85Se/NC具有较大的比表面积，暴露出丰富的表面活性位点，有利于反应位点与电解质的充分接触，这也有利于电催化反应的进行。本文的工作为可再生电力和清洁燃料的研究提供了新的思路，对未来更实用的能源系统的研究具有指导意义。

A Trifunctional Co_0.85Se/NC Collaborated Electrocatalyst Enables a Self-Powered Energy System for Uninterrupted H₂ Production, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d3ta00042g.

https://doi.org/10.1039/D3TA00042G.