非晶态Ru掺杂Cu/TiO纳米纤维催化剂的脱合金制备及其高效析氢反应性能研究

为解决碱性电解液中非贵金属催化剂活性不足的问题，研究人员通过脱合金TiCuRu金属玻璃制备了非晶态Ru掺杂Cu/TiO纳米纤维复合材料。该催化剂在1 M KOH中表现出卓越的析氢反应（HER）性能（过电位52 mV@10 mA/cm2 ，塔菲尔斜率29 mV/dec），其超高本征活性（TOF 32.2/s）源于非晶结构、Cu-Ru相互作用及异质界面效应，为拓展脱合金法制备非晶催化剂提供了新策略。

　　

氢能因其高能量密度和零CO₂
排放被视为替代化石燃料的理想选择，而电解水制氢技术的关键在于开发高效、低成本的催化剂。目前，贵金属（如Pt）催化剂虽性能优异，但其高昂成本和碱性环境中活性骤降的问题制约了大规模应用。尽管过渡金属基催化剂（如合金、硫化物等）被广泛研究，但其活性仍与贵金属存在差距。更棘手的是，传统脱合金法制备的催化剂多为晶态纳米多孔结构，而具有高密度活性位点的非晶态催化剂往往在脱合金过程中难以保持结构稳定性。

针对上述挑战，深圳大学的研究团队创新性地通过KOH溶液脱合金Ti₅₇
Cu₄₀
Ru₃
金属玻璃（MG），成功制备出非晶态Ru掺杂Cu/TiO纳米纤维复合材料。该催化剂在1 M KOH中仅需52 mV过电位即可实现10 mA/cm²
的电流密度，塔菲尔斜率低至29 mV/dec，其本征活性（TOF 32.2/s@100 mV）甚至超越多数贵金属催化剂。这一成果发表于《Fuel》，为开发高性能非晶催化剂提供了新思路。

关键技术方法
研究采用电弧熔炼和熔体快淬制备非晶TiCuRu合金带材，随后在1 M KOH中进行2-24小时化学脱合金。通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料结构，结合扫描电镜（SEM）观察形貌演变。电化学性能通过线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）和接触角测试评估，并计算电化学活性面积（ECSA）及周转频率（TOF）。

研究结果

1. Microstructure characterization
   XRD证实脱合金后材料保持非晶态，XPS显示Cu以金属态存在而Ti转化为TiO。SEM显示随脱合金时间延长，材料从光滑带材演变为交织纳米纤维（直径50-100 nm），16小时样品形成最优三维多孔网络。

2. Electrochemical performance
   16小时脱合金样品表现出最低过电位（52 mV）和塔菲尔斜率（29 mV/dec），其TOF值（32.2/s）是初始样品的25倍。EIS表明其电荷转移电阻（R_ct
   ）显著降低，接触角测试显示亲水性增强（接触角从78°降至12°），协同促进HER动力学。

3. Mechanism analysis
   性能提升归因于：（1）非晶结构提供高密度活性位点；（2）Ru掺杂优化Cu的电子结构，降低H*吸附能；（3）Cu/TiO异质界面加速电荷转移；（4）纳米纤维形貌增大ECSA（16小时样品ECSA达285 cm²
   ）。

结论与意义
该研究首次通过碱性脱合金实现非晶纳米纤维催化剂的制备，突破了传统脱合金法制备晶态材料的限制。16小时脱合金样品凭借非晶-异质结构协同效应，在碱性HER中展现出媲美贵金属的性能，且制备工艺简单、毒性低（相比HF体系）。这一工作不仅拓宽了脱合金技术在催化剂制备中的应用维度，更为设计高性能非晶电催化剂提供了理论依据和实践范例。