利用微波辅助技术从生物废弃物中合成掺镍碳材料，作为高效且可持续的水电解电催化剂，具有显著的成本优势

《Materials Today Sustainability》：Microwave-Assisted Synthesis of Ni-Doped Carbon from Bio-Waste as a Cost-Effective Electrocatalyst for Effective and Sustainable Water Electrolysis

本研究以废 papaya 种子为碳源，采用微波辅助法合成镍掺杂碳（Ni@C）催化剂，用于碱性介质下的水解制氢。经表征，Ni@C 具有高导电性和均匀分散的镍物种，表现出优异的氧和氢析出活性，过电位分别为280 mV和180 mV（10 mA/cm2），全电池电压1.65 V，稳定性达100小时。该催化剂为低成本、环境友好的氢能生产提供了新方案。

　　在当前全球能源需求不断增长的背景下，寻找可持续、环保的能源解决方案成为研究的重点。其中，通过水电解制氢技术生成清洁氢气，作为一种可再生的能源载体，备受关注。然而，传统电催化剂如铱（IrO?）、铂（Pt）和钌（Ru）等贵金属材料，由于其高昂的成本和有限的储量，难以大规模应用。因此，开发具有高催化活性、低成本和可再生的非贵金属电催化剂成为迫切需求。本文提出了一种利用生物废弃物通过微波辅助法合成镍掺杂碳（Ni@C）电催化剂的新方法，为水电解制氢提供了一种可持续、高效且环保的替代方案。

### 研究背景与意义

全球气候变暖问题日益严峻，其主要原因在于化石燃料的使用导致大量碳排放。为应对这一挑战，探索替代能源成为科研界和工业界共同关注的课题。氢气作为一种清洁能源载体，具有零碳排放、高能量密度和丰富的水资源等优势，成为未来能源转型的重要方向。水电解技术因其原料来源广泛、环境友好等特性，被视为一种有潜力的制氢方式。然而，该技术在实际应用中面临的主要瓶颈在于电催化剂的性能与成本。传统电催化剂虽然具有优异的催化活性，但其高成本和资源稀缺性限制了其广泛应用。因此，研究开发具有高效催化性能、低成本和可再生特性的电催化剂，对于推动水电解技术的商业化具有重要意义。

### 研究方法与创新点

本研究采用微波辅助法，利用一种常见的生物废弃物——番木瓜种子作为碳源，合成出一种镍掺杂碳电催化剂。这种方法不仅充分利用了农业废弃物，还通过微波技术实现了快速、高效的材料合成，降低了能耗。与传统的高温热解或化学还原法相比，微波辅助法能够在较短时间内完成材料的碳化和镍的掺杂，同时避免了高温导致的材料降解问题。此外，通过实验验证，该电催化剂在1 M KOH电解液中表现出优异的催化性能和稳定性，为水电解制氢提供了一种新的思路。

### 材料结构与性能分析

为了全面评估Ni@C电催化剂的性能，研究人员对其进行了多种物理化学表征。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，Ni@C具有丰富的官能团，包括C-O、C=O、C≡N等，这些官能团的存在有助于增强材料的化学反应活性。X射线衍射（XRD）结果显示，Ni@C中镍主要以Ni(OH)?和NiO的形式存在，其中Ni(OH)?的衍射峰强度显著高于NiO，说明镍的掺杂对材料的结构和性能产生了重要影响。同时，Ni@C的比表面积达到5.759 m2/g，表明其具有良好的反应活性位点分布，有利于电催化反应的进行。此外，材料的孔隙结构也表现出明显的介孔特性，这有助于提高电解反应的传质效率。

扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像进一步揭示了Ni@C的微观结构。SEM图像显示，材料具有多孔结构和粗糙表面，有利于反应物的扩散和产物的释放。HRTEM图像则证实了镍纳米颗粒在碳基质中的均匀分布，并且被一层类似石墨的碳结构包裹，这种结构有助于稳定金属纳米颗粒并促进电子传输。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步表明，镍主要以Ni2?形式存在，且与碳基质之间存在强相互作用，形成了C-O-Ni等化学键，这不仅增强了材料的导电性，还提高了其催化活性。

### 电化学性能评估

在电化学性能测试中，Ni@C表现出优异的催化活性和稳定性。对于氧析出反应（OER），Ni@C在10 mA/cm2的电流密度下仅需280 mV的过电位，优于商用的IrO?（320 mV）和裸露的镍泡沫（500 mV）。对于氢析出反应（HER），Ni@C在相同电流密度下仅需180 mV的过电位，显著优于裸露的镍泡沫（310 mV）和商用铂碳催化剂（Pt/C，20 mV）。这些结果表明，Ni@C在催化活性方面具有明显优势，特别是在OER和HER反应中。

此外，Tafel斜率是评估电催化反应动力学的重要参数。对于OER，Ni@C的Tafel斜率为130 mV/dec，显著低于商用IrO?（142 mV/dec）和裸露镍泡沫（210 mV/dec），说明其反应动力学更加优越。对于HER，Ni@C的Tafel斜率为195 mV/dec，虽略高于Pt/C（97 mV/dec），但远优于裸露镍泡沫（257 mV/dec）和裸露碳材料（406 mV/dec）。这表明，镍掺杂不仅提高了材料的导电性，还优化了电荷转移效率，从而改善了催化反应的速率。

### 持久性与稳定性

为了评估Ni@C在长时间运行中的稳定性，研究人员进行了100小时的电流-时间（I-t）测试。结果显示，Ni@C在OER和HER过程中均表现出良好的稳定性，电流密度仅在测试初期出现轻微下降，整体衰减率仅为0.31% per hour。这种优异的稳定性表明，Ni@C在实际应用中具有较长的使用寿命，能够承受长时间的电化学反应环境。同时，电化学阻抗谱（EIS）分析显示，Ni@C/NF复合电极的电荷转移电阻（Rct）显著低于裸露镍泡沫（2.434 Ω），仅为1.107 Ω。这进一步说明了Ni@C在促进电荷转移方面的优势，有助于提高反应效率。

### 全细胞电解测试

为了验证Ni@C在实际水裂解中的应用潜力，研究人员进行了全细胞电解测试。在1 M KOH电解液中，Ni@C电催化剂的全细胞电压为1.65 V，相较于商用催化剂（如IrO?/NF//PtC/NF）略有提升，但其性能依然优异。测试结果显示，Ni@C在100小时的连续运行中，能够稳定地生成氢气和氧气，且氢气与氧气的摩尔比接近理想值（2:1），表明其反应选择性良好。此外，全细胞的稳定性测试进一步证明了Ni@C在实际应用中的可靠性，为大规模制氢提供了可能。

### 与可再生能源的结合

本研究强调了将水电解技术与可再生能源系统相结合的重要性。通过将Ni@C电催化剂集成到太阳能电解系统中，可以实现大规模、可持续的氢气生产。太阳能作为清洁能源，其与电解技术的结合不仅能够降低制氢成本，还能减少对化石燃料的依赖，推动绿色能源的发展。Ni@C电催化剂的高效性和稳定性，使其成为太阳能驱动水电解系统中的理想选择。

### 应用前景与环境效益

Ni@C电催化剂的制备过程充分利用了农业废弃物，不仅减少了环境污染，还为废弃物资源化利用提供了新思路。与传统的贵金属催化剂相比，Ni@C具有显著的环境优势，其生产过程低碳、无毒，并且易于回收和再利用。此外，其低成本和高催化活性，使其在工业规模制氢中具有更强的竞争力。通过优化材料结构和合成工艺，未来有望进一步提升其性能，拓展其在其他能源转换技术中的应用。

### 结论与展望

综上所述，本研究通过微波辅助法成功合成了基于生物废弃物的Ni@C电催化剂，该材料在OER和HER反应中表现出优异的催化性能和稳定性。其低过电位、高电流密度和良好的持久性，使其成为水电解制氢的理想电催化剂。此外，Ni@C的环境友好性和成本效益，为推动绿色能源技术的发展提供了新的可能性。未来，进一步优化材料结构、提升其在不同电解液中的适应性，并探索其在其他能源转换技术中的应用，将有助于实现更广泛和可持续的能源解决方案。