亲水性作为提高菱形硫化硼/Ni-Foam电极（结合碳材料）上氧演化反应效率的关键因素

《ACS Applied Energy Materials》：Hydrophilicity as a Key Factor in Enhancing Oxygen Evolution Reaction on Rhombohedral Boron Monosulfide/Ni-Foam Electrodes with Carbon Material

本研究系统考察了四种碳材料（石墨烯、石墨、碳黑、MWCNT）的结晶度、缺陷密度及润湿性对二维主族元素催化剂r-BS氧析出反应（OER）活性的影响。实验表明，润湿性（水接触角）与OER电流密度呈显著负相关，亲水性材料（石墨烯接触角0°，石墨55.4°）表现最优，而疏水性材料（MWCNT 112.6°，碳黑98.6°）活性最低。尽管结晶度和缺陷密度存在差异，但未发现与OER性能的直接关联。首次证实润湿性通过调控氧气泡脱离效率主导高电流密度OER性能，为催化剂-支持体复合体系设计提供新策略。

　　在当前全球能源转型的背景下，氢能源作为清洁、可持续的能源载体受到广泛关注。水电解技术被视为实现氢能源生产的重要手段之一，尤其在利用过剩可再生能源（如太阳能和风能）时展现出良好的稳定性与环境友好性。然而，水电解过程中，氧析出反应（OER）是决定整体效率的关键步骤，因其涉及复杂的四电子转移过程，反应动力学相对缓慢，成为限制电解效率的主要因素。为了解决这一问题，研究者们长期致力于开发高性能的非贵金属催化剂，以替代传统的贵金属氧化物（如RuO?和IrO?），这些材料虽然具有优异的OER活性，但其高昂的成本和有限的资源储量阻碍了其大规模应用。因此，探索具有成本效益且性能稳定的非贵金属催化剂及其支撑材料成为研究热点。

本研究围绕一种由主族元素构成的二维催化剂——菱面体硼硫化物（r-BS）展开，重点分析了其在不同碳材料支撑下的OER性能。所选的碳材料包括石墨烯、石墨、碳黑和多壁碳纳米管（MWCNT），它们在结构、导电性及表面润湿性方面存在显著差异。通过系统地制备并测试r-BS/carbon材料/Ni泡沫电极，研究团队评估了电极在1.8 V vs RHE条件下的平均电流密度，发现OER活性排序为：石墨烯 ≈ 石墨 > 碳黑 > MWCNT。值得注意的是，电流密度与晶粒尺寸或Raman光谱中I_D/I_G比值之间并未表现出明确的关联，而水接触角则呈现出与OER活性显著负相关的趋势。例如，石墨烯和石墨的接触角分别为0°和55.4°，而碳黑和MWCNT的接触角则分别高达98.6°和112.6°，这表明表面润湿性在决定OER性能方面具有决定性作用。

研究团队进一步探讨了不同碳材料对r-BS催化剂分散性的影响。通过透射电子显微镜（TEM）和光学显微镜的分析，发现石墨烯和石墨支撑的r-BS表现出较好的分散性和均匀分布，而碳黑和MWCNT支撑的r-BS则倾向于形成局部聚集，这可能影响其与催化剂的接触效率。此外，石墨烯支撑的电极虽然在OER性能上表现出最佳效果，但其结果的可重复性相对较低，而石墨支撑的电极则在保持较高活性的同时，表现出更稳定的性能。这表明，尽管石墨烯具有优异的导电性和结构特性，但其润湿性可能对电极的长期稳定性产生一定影响。

为了进一步验证润湿性对OER性能的决定性作用，研究团队进行了水接触角测试，并观察了电极在电解过程中的气泡行为。实验结果表明，具有更小接触角（即更高润湿性）的电极能够更有效地释放氧气气泡，从而减少气泡在电极表面的滞留，维持催化活性位点的连续可用性。相比之下，高接触角的电极（如MWCNT支撑的电极）表现出较差的气泡释放能力，导致气泡在表面聚集，进而阻碍反应物的扩散，降低OER效率。这些现象在实验后的电极表面照片中得到了直观体现，石墨烯支撑的电极表面几乎无气泡残留，而MWCNT支撑的电极则出现了大量气泡附着的情况。

从材料科学的角度来看，碳材料的表面润湿性不仅影响气泡的释放行为，还可能通过调控离子传输路径和表面反应动力学间接影响OER性能。因此，研究团队在总结实验结果时指出，表面润湿性的优化应被视为催化剂-支撑材料复合体系设计中的核心参数之一。传统的材料性能评估往往侧重于比表面积、导电性和晶粒尺寸等指标，而忽视了润湿性对反应过程的潜在影响。本研究的结果表明，润湿性在决定OER性能方面具有不可忽视的重要性，尤其是在高电流密度条件下，其对气泡释放效率的调控作用尤为显著。

此外，研究团队还对碳材料的物理化学性质进行了系统分析，包括其导电性、比表面积以及缺陷密度等。通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）等手段，团队确定了不同碳材料的结构特征。例如，石墨烯和石墨表现出高度有序的层状结构，而碳黑和MWCNT则显示出更高的结构无序性。这些结构差异可能影响了r-BS在不同碳材料上的分散性，从而间接影响了OER性能。然而，研究发现，这些因素对OER活性的贡献并不显著，而润湿性则成为影响OER性能的关键变量。

本研究的意义在于，它揭示了表面润湿性在催化剂-支撑材料复合体系中的核心作用，并为未来设计高性能的非贵金属OER催化剂提供了新的思路。传统的催化剂设计往往依赖于材料的导电性和比表面积等参数，而忽视了润湿性对反应过程的调控作用。然而，随着对OER机理的深入理解，越来越多的研究表明，表面润湿性在决定催化剂性能方面具有重要作用。例如，通过调控润湿性，可以优化气泡的释放效率，从而提升电极的反应动力学和长期稳定性。

在实际应用中，如何实现对碳材料润湿性的有效调控成为一个重要课题。石墨烯因其独特的二维结构和优异的导电性，被广泛认为是理想的OER催化剂支撑材料。然而，本研究发现，尽管石墨烯在OER性能上表现最佳，但其结果的可重复性较低，这可能与表面润湿性变化有关。相比之下，石墨支撑的电极在保持较高OER活性的同时，展现出更稳定的性能，这可能与其相对较高的润湿性有关。因此，未来的研究可以考虑在石墨等具有较高润湿性的材料基础上，进一步优化其结构和表面特性，以提升其在OER中的表现。

与此同时，碳黑和MWCNT虽然在某些物理化学性质上表现出优势，如较高的比表面积和导电性，但其高接触角导致气泡释放效率低下，从而限制了OER性能。这提示我们，在选择支撑材料时，除了考虑其导电性和结构特性外，还需要综合评估其表面润湿性对反应过程的影响。特别是对于高电流密度条件下的应用，润湿性的调控可能成为提升OER性能的关键策略之一。

本研究的结果也为后续的催化剂设计提供了重要参考。例如，可以通过表面改性技术，如引入亲水性官能团或涂层，来改善碳材料的润湿性，从而提升其作为OER催化剂支撑材料的性能。这种策略不仅可以保留碳材料原有的优良特性（如高导电性），还能通过优化润湿性来增强气泡释放效率，进而提升整体催化性能。此外，研究团队还指出，尽管石墨烯在OER性能上表现出色，但其在实际应用中仍面临一定的挑战，如制备过程中的可重复性问题。因此，未来的催化剂开发需要在材料性能与加工工艺之间找到平衡，以实现稳定、高效的OER催化体系。

总的来说，本研究通过系统分析不同碳材料对r-BS催化剂OER性能的影响，揭示了表面润湿性在决定催化效率方面的重要性。研究结果不仅为非贵金属OER催化剂的设计提供了新的理论依据，也为碳材料在能源催化领域的应用指明了方向。随着对催化剂-支撑材料界面行为的进一步研究，润湿性优化有望成为提升水电解系统整体性能的重要手段之一。未来的研究可以结合多种表面改性技术，进一步探索如何在不同碳材料上实现理想的润湿性调控，从而推动高效、低成本的OER催化剂在实际应用中的发展。