液相脉冲激光接枝法制备金纳米颗粒-碳载体复合材料及其在电催化析氢中的应用

本研究针对传统纳米催化剂电极制备中存在的多步骤合成、粘附性差及电荷转移电阻高等问题，开发了一种新型液相脉冲激光接枝技术，一步法实现非平衡态金纳米颗粒在碳纤维纸上的原位生长与固定。该复合材料展现出零电荷转移电阻特性，在碳酸氢盐水溶液电催化析氢中表现出1.65倍的质量活性提升，为高效电极设计提供了绿色可持续的解决方案。

　　

在电化学能源转换领域，纳米催化剂与导电载体的集成一直是制约电极性能的关键瓶颈。传统方法需要经历繁琐的化学合成、纯化和固定步骤，不仅耗时耗能，还因表面活性剂和粘结剂的使用导致电荷传输受阻。更棘手的是，常规热力学合成无法获得具有特殊催化活性的非平衡态纳米材料。这些痛点严重限制了电极在氢能等清洁能源技术中的应用效率。

针对这一挑战，研究人员在《Beilstein Journal of Nanotechnology》发表了一项突破性研究。他们创新性地将532 nm纳秒脉冲激光技术应用于金纳米颗粒-碳纤维纸复合材料的一步法制备。通过激光同时实现碳载体表面活化与金纳米颗粒原位生长，不仅简化了工艺流程，更创造出传统方法无法获得的非平衡态结构。实验采用X射线衍射(XRD)证实了材料特殊晶面取向，电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻降至检测限以下。在0.5 M KHCO₃电解液中，该电极表现出1.65倍于传统电极的质量活性，12小时稳定性测试未观察到金纳米颗粒脱落。

关键技术包括：1）碳纤维纸亲水化预处理；2）532 nm纳秒脉冲激光(10 Hz, 87 mJ·cm^-2)液相辐照HAuCl₄溶液；3）X射线光电子能谱(XPS)表征界面化学状态；4）三电极体系电化学测试；5）气相色谱(GC)在线监测产物。

【结果与讨论】
碳载体改性：通过电氧化法在碳纤维表面构建高密度石墨边缘，获得468 cm²/cm²的比表面积，XPS检测到C=O(532.0 eV)和C-O(533.5 eV)特征峰。

激光接枝机制：纳秒脉冲产生双重效应——清除表面有机污染物形成瞬时活性位点，同时引发[AuCl₄]^-还原成核。SEM显示200 nm金纳米颗粒呈花菜状均匀分布，EDX证实金渗透至碳纤维三维网络。

结构表征：XRD显示(200)/(311)晶面衍射强度比传统样品高1.8/1.7倍，证实非平衡态结构。Au 4f_7/2结合能84.4 eV对应金属态，87.0 eV归属表面氧化形成的Au₂O₃。

电化学性能：EIS拟合电路显示R_ct趋近于零，而传统电极达2.87 kΩ。在-1.3 V vs RHE电位下，质量活性达8.5 mA·mg^-1，GC检测到持续氢生成，法拉第效率98.6%。

【结论】
该研究开创的脉冲激光接枝技术突破了传统电极制备的三大局限：1）将多步工艺压缩为单步完成；2）消除界面电荷传输壁垒；3）拓展非平衡态材料可及范围。特别是通过激光诱导的瞬时表面清洁-成核机制，实现了纳米催化剂与载体的原子级接触，这一原理可推广至其他贵金属/碳基复合材料体系。研究成果为高性能电催化电极的绿色制造提供了新范式，在氢能开发、CO₂转化等领域具有重要应用前景。