具有W2N/WC异质结的中空碳纤维，在酸性和碱性介质中实现高效氢气析出

《Journal of Alloys and Compounds》：Hollow Carbon Fibers with W 2N/WC Heterojunctions for Efficient Hydrogen Evolution in Acidic and Alkaline Media

通过 coaxial 电纺技术制备了 W2N/WC 嵌入的一维中空碳纤维催化剂（W2N/WC-HCFs-800），其空心结构显著提升了活性位点暴露度（比表面积达 100.7 m2/g，是实心纤维的 3.7 倍），异质结构优化了电子传输（碱性和酸性电解质中过电位分别为 130 mV 和 164 mV，电流密度 10 mA/cm2），且在连续运行 24 小时后仍保持 84%-87% 的初始活性。

　　在当今全球能源转型的背景下，寻找可持续、清洁的能源解决方案已成为科学界和工业界的重要任务。氢作为一种高能量密度的清洁能源载体，其在实现碳中和能源循环方面展现出巨大潜力。然而，氢气的生产技术仍然面临诸多挑战，尤其是在提高反应效率和降低生产成本方面。为此，研究人员致力于开发高效且经济的电催化材料，以实现氢气的可持续生产。电化学水分解技术因其能够直接与可再生能源（如太阳能和风能）结合，被认为是极具前景的氢气制备方法之一。然而，该技术在实际应用中仍需克服一些关键问题，例如氢析出反应（HER）的能垒较高，导致需要高效的电催化剂来实现可行的能源转换效率。

目前，铂基催化剂被认为是HER反应中最高效的材料，其表现出卓越的催化活性和动力学性能。然而，铂资源稀缺、成本高昂以及在实际操作条件下的稳定性不足，严重限制了其广泛应用。因此，开发非贵金属催化剂成为替代铂基催化剂的重要方向。钨碳化物（WC）作为一种非贵金属电催化剂，因其较低的成本和较好的催化性能而受到广泛关注。然而，WC材料在氢析出反应中仍存在一些不足，例如其d带较宽、电子态密度较高，这使得吸附氢分子难以释放，从而影响反应效率。为了克服这一问题，许多研究者尝试引入具有相似电子结构的金属材料，以调节WC的电子态密度，进而优化反应性能。

此外，电催化剂的结构和形貌设计也是提高活性位点利用率和整体催化性能的关键因素。目前，研究者通过多种方法对电催化剂进行结构调控，例如引入多孔碳基质、构建异质界面等。这些方法不仅有助于改善电子传输效率，还能优化反应动力学，提高催化性能。在这些研究中，碳纤维因其优异的物理和化学性能，如高比表面积、良好的导电性、可大规模生产等，被广泛用于电催化剂的载体设计。电纺丝技术因其操作简便、制备效率高、产品可控性强，被认为是合成碳纤维的理想方法之一。

在此研究中，我们采用了一种创新的策略，通过共轴电纺丝技术制备了前驱体纤维PMMA@[Na?WO?·2H?O/PAN]，随后在氨气气氛下进行高温煅烧，成功合成了新型的二维氮和WC嵌入的一维中空碳纤维（W?N/WC-HCFs-800）。该材料的合成过程充分考虑了金属前驱体的用量和碳化温度，以实现优异的HER性能。实验结果表明，W?N/WC-HCFs-800的比表面积达到100.7 m2/g，是传统实心纤维（W?N/WC-CFs-800，27.2 m2/g）的3.7倍，这证实了中空结构对活性位点暴露的促进作用。同时，异质界面的构建进一步优化了材料的电子结构，不仅促进了W?N与WC之间的电子转移，还显著提高了HER的反应活性。

通过电化学测试，我们发现W?N/WC-HCFs-800在1.0 M KOH和0.5 M H?SO?两种环境中均表现出优异的催化性能。在10 mA cm?2的电流密度下，其过电位分别为130 mV和164 mV，显示出良好的双环境催化性能。此外，该催化剂在24小时连续运行后仍能保持87%和84%的初始活性，表明其具有良好的稳定性。在1000次循环伏安法（CV）测试后，W?N/WC-HCFs-800的线性扫描伏安法（LSV）曲线没有明显偏离初始状态，进一步证明了其优异的耐久性。

该研究不仅提供了一种简单有效的制备方法，还为开发低成本、高性能的基于钨的HER电催化剂提供了新的思路。W?N/WC-HCFs-800的中空结构设计有效提高了活性位点的利用率，而异质界面的构建则优化了电子结构，从而提高了催化性能。此外，该材料的合成过程具有良好的可扩展性和可控性，使得其在实际应用中具备更高的可行性。由于其低成本和高性能的特性，W?N/WC-HCFs-800在能量存储和转换设备中展现出广阔的应用前景。

在实验过程中，我们采用了多种分析手段来评估W?N/WC-HCFs-800的性能。X射线衍射（XRD）分析表明，该材料具有清晰的晶体结构，其中W?N和WC的衍射峰分别对应其不同的晶面，证明了两种材料的成功共存。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，W?N/WC-HCFs-800具有独特的中空结构和均匀的分布，这为活性位点的充分暴露提供了物理基础。此外，该材料的比表面积和孔结构分析进一步证实了其在提高质量传递效率方面的优势。

在HER反应过程中，W?N/WC-HCFs-800表现出优异的催化性能。这主要得益于其独特的结构设计，使得活性位点能够充分暴露于电解液中，从而提高了反应效率。同时，异质界面的构建优化了电子传输路径，促进了电子从W?N向WC的转移，进而降低了反应能垒，提高了反应速率。此外，该材料在酸性和碱性环境中的稳定性也得到了充分验证，这表明其具有良好的适用性。

通过进一步的研究，我们发现W?N/WC-HCFs-800的中空结构不仅提高了比表面积，还改善了质量传递效率。这一设计使得电解液能够更有效地与活性位点接触，从而提高了反应效率。此外，该材料的合成过程采用了共轴电纺丝技术，使得前驱体纤维能够均匀地包裹在碳纤维表面，进而形成了稳定的异质结构。这一结构设计不仅提高了材料的导电性，还抑制了金属颗粒的聚集，从而提高了催化性能。

在实际应用中，W?N/WC-HCFs-800具有良好的可扩展性和可控性，这使其在大规模生产中具备更高的可行性。此外，该材料的低成本特性也使其在经济性方面具有优势。因此，该研究不仅为开发高性能的HER电催化剂提供了新的思路，还为实现可持续能源解决方案提供了技术支持。未来，进一步优化该材料的合成工艺和结构设计，将有助于提高其在不同环境下的催化性能，从而推动其在实际应用中的推广。

总之，本研究通过创新的中空碳纤维结构设计和异质界面构建，成功开发了一种高效、稳定、低成本的基于钨的HER电催化剂。该材料在酸性和碱性环境中均表现出优异的催化性能，其比表面积和孔结构设计有效提高了活性位点的利用率和质量传递效率。此外，该材料的合成过程具有良好的可扩展性和可控性，为未来在可再生能源领域的应用提供了坚实的基础。