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为解决绿色制氢中非贵金属催化剂开发难题，研究人员以废咖啡渣为原料，通过氮气氛加热工艺制备钴、镍粒子掺杂的氮掺杂碳材料。电化学测试表明，其在碱性介质中对 HER 和 OER 有良好电催化效率与稳定性，为高效制氢提供新途径。
在能源危机与环保需求日益迫切的当下，绿色制氢技术成为全球关注的焦点。电解水制氢因能与可再生能源结合生产 “绿色氢气”，被视为极具潜力的制氢方式。然而，该过程依赖的高效双功能催化剂（需同时催化氢析出反应 HER 和氧析出反应 OER）多以贵金属（如铂、铱、钌）为主，成本高昂且储量有限，严重制约了其大规模应用。开发低成本、高效稳定的非贵金属基双功能催化剂，成为突破绿色制氢技术产业化瓶颈的关键挑战。与此同时，大量生物质废弃物（如咖啡渣）的处理与资源化利用也是亟待解决的环境问题，若能将其转化为高性能催化材料，不仅可降低成本，还能实现废弃物的循环利用，兼具环境与经济价值。
基于此，来自波兰托伦哥白尼大学（Nicolaus Copernicus University in Torun, Poland）的研究团队开展了相关研究，旨在探索以废咖啡渣为原料制备非贵金属基双功能催化剂的可行性，为绿色制氢提供低成本、高效的解决方案。该研究成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。
研究人员采用简单的两步法开展研究。首先，将废咖啡渣（作为碳和氮源）与硝酸钴或硝酸镍（作为金属源）混合，在氮气气氛中于 800℃下进行热解，制备出镍或钴粒子负载在氮掺杂碳上的复合材料。然后，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对材料的微观结构和形貌进行表征，并利用电化学测试（如线性扫描伏安法、塔菲尔斜率分析等）评估材料在碱性介质中的 HER 和 OER 催化性能。此外，还通过比表面积（BET）测量和电化学活性表面积（ECSA）计算，分析材料结构与催化性能之间的关系。
材料表征
扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析显示，未活化的原始碳材料（C-SCG）和活化后的碳材料（AC-SCG）表面均呈现光滑结构。活化后的 AC-SCG 具有更丰富的孔隙结构，这可能有助于增加催化剂的比表面积和活性位点暴露，从而提升催化性能。
电化学性能
电化学测试结果表明，所制备的催化剂在碱性介质中表现出良好的双功能催化性能。其中，性能最佳的 AC-SCG/Co 和 AC-SCG/Ni 催化剂在 HER 中表现出最低的过电位，分别为 327 mV 和 248 mV；AC-SCG/Co 在 OER 中表现出优异的性能，过电位为 560 mV，可与商业催化剂 RuO?相媲美。塔菲尔斜率分析表明，这些催化剂具有出色的催化动力学，意味着反应速率较快。
电化学活性表面积（ECSA）
通过特定电容值计算得到的 ECSA 结果显示，基于活性炭的催化剂（AC-SCG/Co 和 AC-SCG/Ni）的 ECSA 值显著高于未活化的催化剂（C-SCG/Co 和 C-SCG/Ni），分别为 1.32 cm2 和 1.35 cm2。这与 BET 比表面积测量结果良好相关，表明更大的比表面积和更丰富的孔隙结构有助于增加活性位点，从而提高催化性能。
该研究成功开发了一种以废咖啡渣为原料制备高效双功能水分解催化剂的简单、经济且环保的方法。通过将钴或镍纳米粒子引入废咖啡渣衍生的氮掺杂碳中，结合碳材料的活化处理，显著提高了催化剂的比表面积和催化活性位点数量，从而实现了优异的 HER 和 OER 催化性能。研究结果表明，碳活化和金属掺杂是优化电催化性能的关键因素，为设计和开发低成本、高性能的非贵金属基催化剂提供了新的思路和策略。此外，该研究将废弃物转化为高附加值的催化材料，为生物质废弃物的资源化利用开辟了新途径，有助于推动绿色制氢技术的发展，对实现全球气候中和目标具有重要意义。
