研究层状Y(TM)B4（TM = Cr、Mo和W）硼化物作为高效的氢气释放反应电催化剂

氢能生产关键催化剂研究：YWB4在酸性电解质中展现卓越析氢活性与稳定性，过电位低于Pt/C催化剂185mV，循环5000次后活性保留95%，为替代铂基催化剂提供新思路。

　　
近年来，随着全球能源结构转型加速，寻找高效、低成本且稳定的氢能生产技术成为研究热点。水裂解制氢技术因其利用可再生能源的特性备受关注，而其中催化剂的研发尤为关键。铂基催化剂因活性高被视为HER（氢演化反应）领域的标杆，但其高昂成本和稀缺性制约了大规模应用。在此背景下，过渡金属硼化物因其独特的层状结构、良好的电子传输能力和环境友好性，逐渐成为替代Pt基催化剂的重要候选材料。

本研究聚焦于YCrB4、YMoB4和YWB4三种三元层状金属硼化物，通过系统性的合成与表征手段，首次揭示了钇钨硼（YWB4）在酸性电解质中展现的卓越催化性能。材料合成采用电弧熔融法，通过调控电流密度（50-150 A）和熔融时间（30-60分钟），在氩气保护下实现了目标化合物的稳定合成。X射线衍射（XRD）分析表明，所有样品均以>95%的纯度形成目标相，其中YWB4的晶体结构（Pbam空间群）展现出独特的硼原子环状排列特征，钇离子（原子半径180 pm）与钨离子（135 pm）的尺寸差异导致硼环形成7元和5元混合结构，这种特殊的层状构型可能为电子传递提供了更优的通道。

在催化性能测试中，YWB4在0.5 M硫酸溶液中表现出令人瞩目的电化学特性。当电流密度达到工业级标准1000 mA/cm2时，YWB4的过电位仅为452 mV，较YCrB4（562 mV）和YMoB4（566 mV）分别降低185 mV和114 mV，同时超越常规Pt/C催化剂（627 mV）达185 mV。这种性能优势在超过300 mA/cm2的工业基准电流密度下尤为显著，YWB4的活性窗口较宽，在低电流密度（100 mA/cm2）时已展现出优于Pt/C的催化效率，而在高电流密度下仍能保持稳定输出。

通过Tafel斜率分析（78.5-108.5 mV/dec），研究发现YWB4具有最陡峭的Tafel曲线，表明其反应动力学更优。虽然传统理论认为Tafel斜率应接近120 mV/dec（对应Volmer步骤主导），但本研究的金属硼化物体系显示斜率明显低于理论值，这可能与材料表面活性位点的电子态分布有关。结合循环伏安测试（CV）数据，YWB4的双层电容值（19.38 mF/cm2）显著高于文献中多数过渡金属硼化物，这种高比表面积特性与材料表面丰富的活性位点相辅相成。

长期稳定性测试进一步验证了YWB4的工程适用性。在1000 mA/cm2的高负载条件下连续运行5000次循环（25小时），其活性保持率达95%，且循环过程中未出现明显的电流衰减拐点。微观形貌分析显示，经过电解质浸泡和循环测试后，YWB4的电极表面仍保持致密的层状结构，未出现裂纹或颗粒脱落现象。这种稳定性在YCrB4和YMoB4中表现较差，特别是在高电流密度下活性衰减速率加快。

从材料结构角度分析，YWB4的原子半径差异（Y 180 pm vs Cr 140 pm, Mo 145 pm, W 135 pm）导致硼环结构发生适应性调整，这种结构优化可能增强了表面吸附-解吸的协同效应。XPS深度剖析显示，材料表面形成了稳定的氧化保护层（厚度约5-8 nm），在5000次循环后未出现明显退化，这可能是其保持高活性的重要机制。对比研究表明，尽管钼基硼化物（如MoB2）和钨基非硼化物（如WS2）在特定条件下表现优异，但YWB4首次将钨元素引入层状硼化物体系，同时实现了高活性（低过电位）与高稳定性的双重突破。

该研究突破性地展示了钨基层状硼化物的应用潜力，为下一代低成本氢能催化剂的开发提供了新思路。材料在工业级电流密度下的突出表现，使其在电解水制氢设备、燃料电池催化剂等场景中展现出重要的产业化价值。后续研究需进一步探索其本征催化机制，结合原位表征技术揭示活性位点动态演变过程，同时优化规模化制备工艺以降低成本。该成果为构建零碳氢能产业链提供了关键材料支撑，对推动清洁能源技术发展具有战略意义。