氫能源，已被視為未來最重要的潔淨能源，而電解水製氫是一種可持續的產生氫氣的方法。然而，目前用於電解水製氫的催化劑主要依賴於貴金屬，比如鉑等過渡金屬。這些金屬催化劑雖然高效，但價格過度高昂，限制了其大規模的應用。因此，開發高效、低成本的非金屬催化劑，成為了科學界的重要目標。而有機小分子催化劑因其結構可調、成本低廉等優點，所以在這一領域展現了龐大潛力。但目前已知的有機小分子催化劑，在電解水製氫反應中的表現仍不盡如人意，其電流密度通常僅在22 μA到1 mA之間，遠低於實際應用所需。除此之外，大多數有機催化劑在水溶液中的穩定性較差，難以維持長時間的催化活性。這些困難主要源於三個方面：首先，大多數有機催化劑在水溶液中不溶；其次，中間體通常不穩定；最後，伴隨的副反應會阻礙陰極的循環。如果能開發出克服以上困難的有機小分子催化劑，將會是這一領域的重大突破。

近日，中國清華大學的研究團隊，成功開發出一種二氮磷烯（Diazaphospholene，簡稱NHP）的有機小分子催化劑，實現了高效的電解水製氫。這種催化劑在酸性水溶液中展現出優異的催化性能，其最大電流密度可達130 mA/cm²，過電位僅為354 mV，法拉第效率高達90%。研究人員透過實驗和理論計算，揭開了NHP催化劑的作用機制，發現其遵循電子轉移-質子轉移-電子轉移（ET-PT-ET）的序列過程，而這個過程能夠產生非常強的氫化物供體分子（NHP-H），這是催化系統能夠高效製氫的關鍵。在實驗中，為了解決有機催化劑在水溶液中的溶解性問題，研究人員採用了一種方法叫非共價策略（noncovalent strategy），也就是將NHP催化劑固定在碳紙陰極上。這種方法不只解決了溶解性問題，還給原位生成的中間體提供了穩定的環境，這有效促進了催化循環。研究人員表示，這項研究為開發高效有機電解水製氫催化劑提供了新的思路。