清華新聞網(wǎng)8月11日電 氫能是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要清潔能源載體，電催化水分解中的析氫反應(yīng)是制備氫氣的關(guān)鍵步驟，而高效穩(wěn)定的催化劑材料是電催化水分解的核心。傳統(tǒng)基于貴金屬的催化劑盡管活性高，但貴金屬成本高昂、資源有限，限制了電解水綠氫技術(shù)的推廣。近期，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院鄧兵課題組與國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，基于閃速焦耳熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一系列高效、穩(wěn)定、低貴金屬載量的催化劑材料制備，為綠氫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了支撐。
首先，研究團(tuán)隊(duì)提出了碳納米管限域催化策略，著力解決電催化產(chǎn)氫催化劑使用穩(wěn)定性問(wèn)題。研究采用瞬時(shí)閃速焦耳加熱技術(shù)，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)將前驅(qū)體材料轉(zhuǎn)化為納米結(jié)構(gòu)催化劑。鉑原子被單獨(dú)錨定在碳納米管包裹的碳化鎢晶體載體上，形成類(lèi)似鏈甲結(jié)構(gòu)，不僅提升了催化活性，還顯著增強(qiáng)了耐久性。該催化劑在酸性條件下僅需45.2毫伏的過(guò)電位即可達(dá)到每平方厘米10毫安的電流密度，且在連續(xù)運(yùn)行超過(guò)500小時(shí)后依然表現(xiàn)穩(wěn)定。機(jī)理分析表明，鉑與碳化鎢之間的強(qiáng)相互作用能夠優(yōu)化電子分布，并改善氫氣的吸附與釋放行為。相關(guān)研究成果以“碳納米管限域單位點(diǎn)鉑/碳化鎢用于高效穩(wěn)定電催化”（Confined Flash Pt1/WCx inside Carbon Nanotubes for Efficient and Durable Electrocatalysis）為題，于2025年2月26日作為封面論文發(fā)表于《納米快報(bào)》（Nano Letters）。
圖1.碳納米管限域鉑-碳化鎢材料用于高效穩(wěn)定電催化
第二，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了無(wú)定形化和組分優(yōu)化方法，制備了性能超過(guò)商用鉑碳材料的三元金屬磷化物催化劑。非晶材料因其豐富的活性位點(diǎn)和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，在清潔能源催化方面表現(xiàn)出巨大的潛力。然而，這類(lèi)材料往往難以快速、可控地合成。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)超快加熱與冷卻，使金屬前驅(qū)體在極短時(shí)間內(nèi)冷凝為非晶納米粒子，不僅突破了合成難題，也實(shí)現(xiàn)了成分的精準(zhǔn)調(diào)控。優(yōu)化后的鉑-鎳-磷（PtNiP）三元催化劑展現(xiàn)出近乎理想的氫吸附自由能（0.02eV），在酸性電解質(zhì)中僅需14毫伏過(guò)電位即可驅(qū)動(dòng)析氫反應(yīng)，催化活性超越了商用貴金屬鉑催化劑，質(zhì)量活性比商用Pt/C催化劑高出五倍。生命周期評(píng)估和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，閃速焦耳熱方法相比傳統(tǒng)工藝在能耗、碳排和成本方面均具顯著優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以“三元金屬磷化物無(wú)定形化和組分優(yōu)化耦合實(shí)現(xiàn)高效電催化綠氫制備”（Coupling Amorphization and Compositional Optimization of Ternary Metal Phosphides toward High-Performance Electrocatalytic Hydrogen Production）為題，于2025年5月5日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。
圖2.三元金屬磷化物無(wú)定形化和組分優(yōu)化耦合實(shí)現(xiàn)高效電催化綠氫制備
第三，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了亞納米線(xiàn)過(guò)渡金屬碳化物的精準(zhǔn)合成，顯著降低了高效催化劑制備成本。通過(guò)超快加熱和冷卻速率，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)制備出亞納米碳化鉬（MoCx）線(xiàn)。利用單壁碳納米管（SWNTs）作為導(dǎo)熱模板，通過(guò)封裝多鉬酸鹽簇陣列的碳熱還原反應(yīng)，無(wú)需溶劑、催化劑或特殊氣體，即可合成一維碳化鉬納米線(xiàn)。碳化物-納米管復(fù)合材料具有富電子表面，可穩(wěn)定固定鐵酞菁分子，形成復(fù)合催化劑。該催化劑在堿性氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越性能，半波電位高達(dá)0.91V。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了單位點(diǎn)鉑負(fù)載碳化鉬鏈甲催化劑，在酸性析氫反應(yīng)中展現(xiàn)出超高催化效率，質(zhì)量活性達(dá)4.84 A mgPt?1，塔菲爾斜率低至37.4 mV dec?1，且穩(wěn)定性超過(guò)350小時(shí)。相關(guān)研究成果以“碳化物納米線(xiàn)和單壁碳納米管強(qiáng)界面相互作用用于高效催化”（Strong Interactions Between Flash Sub-Nanometer Carbide Nanowires and Single-Walled Carbon Nanotubes for Catalysis）為題，于2025年8月3日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）。
圖3.碳化物納米線(xiàn)和單壁碳納米管強(qiáng)界面相互作用實(shí)現(xiàn)高效催化
鄧兵為以上論文的通訊作者，論文主要合作者（共同通訊/第一作者）包括山西大學(xué)副教授朱勝、山西大學(xué)教授韓高義、南方科技大學(xué)副教授吳振禹、美國(guó)萊斯大學(xué)教授詹姆斯·圖爾（James M. Tour）、美國(guó)萊斯大學(xué)副教授汪淏田（Haotian Wang）、美國(guó)科爾班大學(xué)教授趙玉峰（Yufeng Zhao）等。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05097
https://doi.org/10.1021/jacs.5c00071
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c11080
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
