协同调谐离子液体掺杂的氧化钴/聚苯胺电催化剂用于高效分子氢析出反应

本研究针对钴基电催化剂导电性差、界面电阻高及活性位点不稳定的瓶颈问题，开发了EMIM TFSI离子液体掺杂的rGO-Co3 O4 /PANI杂化催化剂。该催化剂在0.1 M H2 SO4 和KOH中分别实现158 mV和176 mV的低过电位，10,000次循环后仍保持稳定，为宽pH范围HER提供了新型解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，而电催化水分解制氢技术的核心瓶颈在于缺乏高效稳定的非贵金属催化剂。尽管铂(Pt)基材料展现卓越的氢析出反应(HER)活性，但其高昂成本和稀缺性严重制约规模化应用。近年来，钴基材料因其多价态特性和丰富储量成为研究热点，但固有导电性差、活性位点易失活等问题导致其性能与Pt存在显著差距。更棘手的是，传统催化剂在强酸/强碱环境中稳定性不足，且常规制备方法易引发催化剂脱落和界面电阻等问题，严重阻碍实际应用。

针对这些挑战，印度理工学院罗基分校的研究团队创新性地将离子液体工程引入催化剂设计，通过原位合成技术构建了EMIM TFSI掺杂的rGO-Co₃
O₄
/PANI（简称r-Co₃
O₄
/P）杂化电催化剂。该研究发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，通过多组分协同效应实现了宽pH范围内的高效HER催化。研究团队采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)进行结构表征，结合电化学阻抗谱(EIS)分析界面电荷转移机制，并通过线性扫描伏安法(LSV)和循环稳定性测试评估催化性能。

【材料与结构】XRD分析显示，复合材料中Co₃
O₄
的(311)晶面衍射峰发生位移和宽化，证实rGO、Co₃
O₄
与PANI间存在强相互作用。XPS谱图中Co 2p_3/2
结合能向低能方向偏移0.8 eV，表明EMIM TFSI的掺杂有效调控了钴的电子结构。

【电化学性能】在0.1 M H₂
SO₄
中，r-Co₃
O₄
/P仅需158 mV过电位即可达到10 mA cm^?2
电流密度，优于多数报道的非贵金属催化剂。碱性条件下(0.1 M KOH)过电位为176 mV，且在230 mA cm^?2
高电流密度下仍保持稳定。塔菲尔斜率分析显示酸性介质中为48 mV dec^?1
，表明Volmer-Heyrovsky机制主导反应过程。

【机理研究】电化学阻抗谱揭示，EMIM TFSI的引入使电荷转移电阻降低至11.6 Ω，比未掺杂样品减小3倍。原位红外光谱证实TFSI^?
阴离子通过氢键网络促进质子传输，而EMIM⁺
阳离子改善电极表面润湿性，双电层电容测试显示活性表面积增加至78.5 mF cm^?2
。

【稳定性验证】经过10,000次循环伏安测试后，催化剂在酸性和碱性介质中的过电位仅增加9 mV和13 mV。XPS后测试表明Co²⁺
/Co³⁺
比例保持稳定，PANI的醌式结构未发生明显降解，证实离子液体对活性中心的保护作用。

该研究通过离子液体介导的界面工程策略，成功解决了钴基催化剂导电性差和稳定性不足的核心问题。所开发的r-Co₃
O₄
/P催化剂在宽pH范围内展现出媲美贵金属的HER活性，其独特的"电子-离子-氧化还原"三重协同机制为设计下一代电解水催化剂提供了新思路。特别值得注意的是，EMIM TFSI不仅作为导电介质，更通过调控质子传输动力学和稳定三相界面，使催化剂在工业级电流密度下仍保持优异性能。这项研究为开发低成本、高稳定性的制氢系统奠定了材料基础，对推动可再生能源制氢技术商业化具有重要价值。