界面工程调控氧氢氧化物/硫化物异质结构助力工业级高效制氢

推荐 为突破碱性水电解（AWE）中高电流密度下的气泡堵塞和电荷/质量传递限制，研究人员设计了一种边缘暴露钌掺杂NiOOH纳米片锚定NiMoSx微球的异质结构催化剂（RNHO/NMS-M）。该催化剂通过界面电子重分布优化氢吸附自由能，并利用超亲水/超疏气特性实现高效气泡脱附，在1 A cm-2电流密度下仅需191.73 mV过电位，稳定运行500小时，显著提升工业制氢效率与稳定性。

　　

论文解读
全球能源结构转型背景下，传统化石燃料引发的碳排放危机促使绿色制氢技术成为研究焦点。其中，碱性水电解（AWE）因其工艺成熟、环境友好等优势备受关注。然而，在工业化应用场景中，AWE面临严峻挑战——当电流密度超过1 A cm^-2时，电极表面产生的气泡会阻碍活性位点暴露并增加欧姆电阻，导致电解效率骤降。现有催化剂在维持高活性与稳定性的协同优化方面仍存在显著瓶颈，亟需开发新型电极材料以突破这一技术壁垒。

针对上述问题，武汉理工大学的研究团队提出界面工程策略，构建了一种具有分级结构的氧氢氧化物/硫化物异质结催化剂（RNHO/NMS-M）。该催化剂通过将钌（Ru）掺杂的NiOOH纳米片定向锚定在NiMoS_x微球表面，形成独特的纳米片-微球异质界面。实验与理论计算表明，该设计实现了多维度性能提升：首先，Ni位点促进水分子吸附与解离，而界面处的Ru位点触发氢中间体（H*）溢流效应，显著降低析氢反应（HER）能垒；其次，超亲水/超疏气表面特性使催化剂具备低气泡粘附力，配合纳米级粗糙结构，实现气泡快速脱离（<30 ms），确保电解液持续高效渗透。在工业级电流密度（1 A cm^-2）下，RNHO/NMS-M仅需191.73 mV过电位即可驱动反应，并稳定运行500小时；基于该催化剂的AWE系统在相同条件下仅产生1.644 V电池电压，连续工作100小时无性能衰减。

研究团队采用水热合成与化学气相沉积相结合的方法制备催化剂。首先通过CTAB导向的水热反应在泡沫镍基底上生长NiMoS_x微球，随后通过RuCl₃溶液浸渍与后续热处理完成Ru掺杂NiOOH纳米片的定向沉积。表征手段包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及电化学阻抗谱（EIS），证实了异质结构的成功构建与优异导电性。性能测试在标准三电极体系中进行，采用旋转圆盘电极评估HER活性，并搭建AWE装置验证实际工况下的稳定性。

研究结论表明，界面工程策略可有效调控电荷分布与物质传输路径。异质界面处的电子重分布优化了氢吸附自由能（?G_H*），而分级结构设计则解决了气泡滞留难题。该催化剂在活性、稳定性与抗气泡干扰能力方面均超越现有报道，为工业化制氢提供了切实可行的解决方案。研究成果不仅深化了对异质界面催化机制的理解，更为开发下一代高电流密度电解槽电极材料指明了方向。论文发表于《Applied Catalysis B: Environmental and Energy》，其创新性设计理念对推动清洁能源技术发展具有重要指导意义。

注：本文严格遵循原文信息，未引入任何外部数据或推测性结论。所有专业术语均保留英文缩写及上下角标格式，如HER（Hydrogen Evolution Reaction）、AWE（Alkaline Water Electrolysis）、?G_H*（Hydrogen Adsorption Free Energy）。