用于pH通用型氢进化反应的Cu-Ru@NF-AC界面调控电催化剂的构建

《Molecular Catalysis》:Construction of Cu-Ru@NF-AC interface-regulated electrocatalyst for the pH-universal hydrogen evolution reaction

【字体: 时间:2026年05月11日 来源:Molecular Catalysis 4.9

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  肖汉月|赵莎莎|彭凯|徐姚瑶|李娟|谢博顿|司瑶|邓国伟|杨敏|李伟四川师范大学化学与生命科学学院,功能性分子结构优化与应用四川省重点实验室,成都 611130,中国摘要为应对能源危机和环境问题,解决传统电催化材料(如活性不足和稳定性差的问题,本研究通过界面调控策略创新合成了Cu

  
肖汉月|赵莎莎|彭凯|徐姚瑶|李娟|谢博顿|司瑶|邓国伟|杨敏|李伟
四川师范大学化学与生命科学学院,功能性分子结构优化与应用四川省重点实验室,成都 611130,中国

摘要

为应对能源危机和环境问题,解决传统电催化材料(如活性不足和稳定性差的问题,本研究通过界面调控策略创新合成了CuRu@NF-AC纳米材料,并系统研究了其在整个pH范围内的电催化水分解(氢进化反应(HER)和氧进化反应(OER)中的性能。实验结果表明,通过界面结构优化,该材料的电催化活性显著提高。在电流密度为10 mA·cm?2时,碱性条件下的OER和HER过电位分别低至44.4 mV和60.6 mV,Tafel斜率分别为30.14 mV·dec?1和90.07 mV·dec?1。在酸性条件下,OER过电位仅为49 mV,总水分解电压低至1.07 V。在中性(1.0 M PBS)电解质中,10 mA·cm?2下的HER过电位为302.6 mV,Tafel斜率为76.25 mV·dec?1,表现出优异的pH通用适应性。此外,该催化剂具有优异的长期稳定性,可保持稳定的电催化性能超过100小时。本研究提供了一种通过界面调控设计pH通用氢进化电催化剂的新型策略,具有重要的理论和实际价值。

引言

全球能源危机日益严峻,霍尔木兹海峡的航行限制等频繁的地缘政治事件暴露了传统化石燃料系统的脆弱性[[1], [2], [3]]。同时,化石燃料燃烧产生的碳排放也对实现“双碳”目标造成了限制[4,5]。在此背景下,作为零碳、自给自足、可大规模储存和运输的清洁能源,绿色氢能已成为解决能源危机和环境问题的关键突破[6,7]。它已被纳入国家能源战略,并进入了大规模发展的新阶段[8]。电化学水分解作为生产绿色氢能最具前景的技术,可以直接利用可再生能源(如风能和太阳能)高效生产氢气[[9], [10], [11]]。然而,其工业化受到缺乏高效、稳定且低成本催化剂的阻碍。因此,开发高性能电催化材料已成为大规模应用绿色氢能的关键驱动力[12,13]。
界面调控是优化电催化材料性能的核心策略[14,15]。通过物理和化学方法控制材料相界面的结构、组成和能量状态,可以有效提高电子传输效率,增加反应物的吸附能力,并提高活性位点的数量,从而加速电催化反应的动力学[[16], [17], [18], [19]]。在催化剂活性组分的选取方面,钌(Ru)的电催化活性与铂(Pt)相似,且成本更低、更稳定。铜(Cu)可以与Ru形成协同效应,通过调节电子结构和产生晶格应变效应来优化中间体的吸附能量,促进氢溢出过程,进一步增强催化活性[[20], [21], [22]]。碳材料(AC)具有高比表面积、优异的导电性和稳定的化学性质,用作载体可以有效地分散Cu和Ru活性组分,防止其团聚和失活[23,24]。同时,镍泡沫(NF)也可以提高材料的导电性和结构稳定性。构建的CuRu@NF-AC复合体系通过界面相互作用协同优化活性组分和载流体的性能,解决了单一组分催化剂活性不足和稳定性差的问题,是电化学水分解材料的理想体系[[25], [26], [27]]。
HER是水分解制氢的核心阴极反应,其催化性能严重依赖于反应系统的pH值[28,29]。在实际工业氢气生产过程中,电解质环境复杂,可能涉及酸性、中性和碱性等不同pH条件[30]。因此,开发在整个pH范围内具有较高催化活性和稳定性的HER催化剂是电催化水分解技术工业应用的关键前提[31,32]。迄今为止报道的大多数HER催化剂都存在pH依赖性。贵金属催化剂在酸性条件下活性优异,但成本高昂,而非贵金属催化剂在中性和碱性条件下的活性不足且稳定性差,难以适应复杂的工业应用场景[33,34]。此外,不同pH条件下的HER反应机理也有所不同[35]。在酸性体系中,Volmer-Heyrovsky途径占主导地位;而在碱性和中性体系中,Volmer-Tafel途径占主导地位。这对催化剂的界面结构、电子性质和活性位点的适应性提出了更高要求[36,37]。
在本研究中,采用溶胶-凝胶法结合高温退火策略对CuRu@NF-AC纳米材料进行了界面调控,成功在交流基底上构建了高度分散的CuRu双金属活性中心,形成了具有完整pH适应性的稳定多孔导电结构。该结构通过金属与载体之间的强电子相互作用优化了不同pH环境下活性位点的催化行为,同时凭借其三维导电网络和丰富的质量传递通道实现了高效稳定的电荷传递和反应物扩散。这种结构特性使得该材料在酸性、中性和碱性条件下表现出优异的催化性能和长期稳定性,为开发能够适应复杂操作条件的电解水催化系统提供了有效的材料设计策略。

章节片段

试剂

本实验使用的所有化学品和试剂均为分析级。甲醇(CH3OH, ≥99.9%)和尿素(CO(NH2)2, 98%)购自Aladdin(上海,中国)。硝酸铜水合物(Cu(NO3)2·3H2O, 99%)、三咪唑酸(C9H6O6, 99%)、六水合三氯化钌(RuCl3·6H2O, 99%)、盐酸(HCl, 37%)、氢氧化钾(KOH, 85%?100%)、氧化铱(IrO2

结果与讨论

如图1a所示,CuRu@NF-AC的衍射峰与Cu (#04–0836) 和Ru (#06–0663) 的标准PDFs匹配良好,其中43.3°、50.4°和74.1°处的特征峰分别对应Cu的(111)、(200)和(220)晶面;38.4°、42.2°、44.0°和69.4°处的峰分别对应Ru的(100)、(002)、(101)和(112)晶面。衍射峰表明材料具有较高的结晶度,有利于保持稳定的电子

结论

本研究成功制备了CuRu@NF-AC催化剂。通过表面电子结构和双金属组成的协同作用,催化活性、动力学速率和稳定性得到了全面提升。碳载体与金属位点之间的界面相互作用有效固定了金属纳米颗粒,抑制了团聚和烧结现象,同时构建了高效的电荷传递通道。这不仅精确地

CRediT作者贡献声明

肖汉月:研究、数据整理。赵莎莎:正式分析、数据整理。彭凯:研究、概念构思。徐姚瑶:方法学、研究。李娟:资源协调、研究。谢博顿:数据整理。司瑶:数据整理。邓国伟:撰写-审稿与编辑、项目管理。杨敏:撰写-审稿与编辑、初稿撰写、项目管理。李伟:验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了四川省创新实验项目(2025xjcxsy05)、四川省自然科学基金项目(2023NSFSC1274)、四川省结构优化与应用功能性分子重点实验室启动项目(GNFZ202407)、四川省科学技术厅项目(2026NSFSC1361)以及四川省学生创新创业项目(S202514389094、202514389012)的财政支持。
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