非贵金属电极材料与杂原子协同效应：可持续双功能活性及太阳能制氢效率突破

本研究针对贵金属催化剂成本高、稳定性差的问题，开发了一种通过焚烧法制备的硫氮共掺杂碳膜/泡沫镍（S-N@C/NF）双功能电催化剂。该材料在1.0 M KOH中实现HER（η=138 mV）和OER（η=250 mV）的高效催化，全水解电压仅需1.59 V，为可再生能源制氢提供了新型非贵金属解决方案。

　　

化石能源的枯竭与气候变化压力催生了氢能研究的紧迫性，而电解水制氢技术的核心瓶颈在于贵金属催化剂（如Pt/C、IrO₂
）的高成本和单功能局限性。针对这一挑战，研究人员创新性地采用焚烧法将聚-2-氨基噻唑（PAT）前驱体转化为硫氮共掺杂碳膜/泡沫镍（S-N@C/NF）复合材料，实现了非贵金属双功能催化剂的突破性进展。

研究通过溶剂-free合成技术，利用PAT同时提供碳、硫、氮源，结合泡沫镍的三维导电网络，构建出具有褶皱结构的非晶态碳膜。关键实验技术包括：原位聚合制备PAT前驱体、可控焚烧热转化、三电极体系线性扫描伏安法（LSV）评估HER/OER活性，以及通过FE-SEM、HR-TEM和XPS等表征手段分析材料形貌与电子结构。

结果与讨论

1. 材料表征：FE-SEM显示S-N@C/NF形成互联褶皱薄膜（图2a），HR-TEM证实其非晶特性（图2b-c）。XRD宽峰（2θ≈25°）表明石墨化程度低，而XPS揭示Ni³⁺
   /Ni²⁺
   氧化还原对的存在。
2. 电化学优化：在1.0 M KOH中，S-N@C/NF的HER过电位（138 mV@10 mA/cm²
   ）接近商用Pt/C，OER活性（250 mV）显著优于IrO₂
   。全水解仅需1.59 V电压，且稳定性超过100小时。
3. 反应机制：后表征发现OER过程中形成金属羟基氧化物（M-OOH），而HER后材料发生结构重组，非晶特性保持不变，证实了催化过程中的动态自适应性。

环境效益
该合成工艺符合绿色化学原则，总能耗仅1.8 kWh（其中PAT燃烧释放3.52 kJ自供能），碳足迹较传统方法降低60%。

结论
S-N@C/NF通过硫氮协同调控碳基质电荷密度与自旋效应，结合泡沫镍的导电优势，实现了工业级制氢催化剂的三大突破：低成本（非贵金属）、双功能（HER/OER）和超高能效（1.59 V）。该研究为《Journal of Alloys and Compounds Communications》报道的首例焚烧法制备碳基双功能催化剂，其溶剂-free策略为规模化生产提供了新范式。M. Vijayarangan等学者提出的"前驱体-焚烧"协同设计理念，为开发下一代可再生能源转换材料开辟了新路径。