熔锡表面合金化结合电化学脱合金法制备三模态分级纳米多孔铜及其低塔菲尔斜率析氢催化性能研究

针对铜泡沫表面光滑导致析氢反应(HER)活性位点不足的问题，研究人员通过熔锡表面合金化结合电化学脱合金的创新工艺，构建了具有三模态分级孔隙的纳米多孔铜催化剂。该材料比表面积达2.18 m2 g-1，在10 mA cm-2电流密度下过电位仅181 mV，塔菲尔斜率低至72.60 mV dec-1，其优异性能源于分级孔隙结构带来的大电化学活性面积和气泡动态更新效应。

　　

随着全球能源结构转型加速，氢能作为清洁能源载体备受关注。电解水制氢技术的核心瓶颈在于开发高效稳定的非贵金属催化剂——当前铂族贵金属催化剂虽性能优异，但高昂成本严重制约其规模化应用。铜基材料因其-0.20 eV的适中氢吸附能、优异导电性和成本优势成为研究热点，但传统铜泡沫(CF)光滑表面导致活性位点稀缺，析氢反应(HER)需要473 mV的高过电位和230.27 mV dec^-1的大塔菲尔斜率，严重限制其实际应用性能。

针对这一挑战，来自中国的研究团队创新性地提出"熔锡表面合金化-电化学脱合金"两步法工艺，在《Journal of Alloys and Compounds》发表了突破性研究成果。该团队通过精确控制液态锡扩散温度和时间，在铜泡沫表面构建η-Cu₆Sn₅/ε-Cu₃Sn金属间化合物梯度层，再经盐酸溶液选择性脱除锡，成功制备出具有三模态分级孔隙结构的纳米多孔铜催化剂。

关键技术包括：1) 熔锡扩散合金化控制（320°C和420°C对比）；2) 电化学脱合金时间梯度优化（1.8-5.4 ks）；3) 通过XRD、SEM表征金属间化合物相组成；4) 线性扫描伏安法测试HER性能；5) 比表面积BET测试。

【表面合金化与脱合金机制】
研究发现420°C熔锡处理可在CF表面形成双层结构：外层致密η-Cu₆Sn₅相和内层多孔ε-Cu₃Sn相（Kirkendall效应所致孔隙）。电化学脱合金后，η相转化为纳米多孔铜层（第一模态），ε相形成铜纳米桥网络（第二模态），保留CF原始大孔结构（第三模态）。

【结构-性能关系】
420°C处理的样品经1.8 ks脱合金后比表面积达2.18 m2 g^-1，是320°C处理样的5倍、原始CF的87倍。分级孔隙既提供丰富活性位点，又通过气泡快速脱离实现活性位点动态更新，使HER过电位降至181 mV@10 mA cm^-2，塔菲尔斜率72.60 mV dec^-1，符合Volmer-Heyrovsky反应机制。

该研究开创性地通过相变调控实现多尺度孔隙协同构筑，为设计高效非贵金属催化剂提供了新范式。三模态结构不仅大幅提升比表面积，其分级通道更优化了气泡输运行为，解决了传统铜泡沫活性位点不足和质量传输受限的双重瓶颈。研究成果对推动低成本电解水制氢技术产业化具有重要指导价值。