杂原子与卤素共掺杂垂直石墨烯负载碳量子点的全碳电极设计及其高效电解水制氢性能研究

【编辑推荐】本研究针对电解水制氢过程中过电位高、贵金属催化剂依赖性强的问题，通过杂原子（N/B/P/S）与卤素（F/Cl）协同调控策略，开发了基于醋糟衍生碳量子点/垂直石墨烯（XFCl-CQDs/VG）的全碳电极。优化后的NFCl-CQDs/VG在HER（130 mV@1 M KOH）和OER（312 mV）中表现出媲美贵金属的活性，法拉第效率超92%，为绿色制氢提供了低成本、高稳定性的解决方案。

　　

随着全球能源结构向清洁化转型，氢能因其高能量密度和零碳排放特性成为理想能源载体。然而，传统电解水制氢技术面临两大瓶颈：一是依赖铂、铱等贵金属催化剂导致成本居高不下，二是析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的高过电位造成能量效率损失。尽管近年来生物质衍生碳材料因其可持续性和结构可调性受到关注，但单一元素掺杂策略难以突破性能天花板。针对这一挑战，来自陕西的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果，通过多元素协同工程将醋糟废弃物转化为高效全碳电极，为绿色制氢提供了新范式。

研究团队采用三步法构建催化体系：首先对醋糟进行酸/碱预处理提取纤维素，随后通过水热法合成氟氯共掺杂碳量子点（FCl-CQDs），最后在垂直石墨烯（VG）基底上锚定杂原子（N/B/P/S）改性材料。结合XRD、Raman和电化学测试，系统评估了材料结构与性能关联。

结果与讨论

1. 结构表征：XRD显示所有XFCl-CQDs/VG材料均保持石墨烯（002）晶面特征峰（26.2°），杂原子掺杂未破坏晶体结构。Raman光谱中D/G峰强度比变化表明氮掺杂引入最多边缘缺陷，这与后续电化学性能提升直接相关。
2. 氮掺杂优化机制：NFCl-CQDs/VG中吡啶/吡咯氮促使共价C-F键向半离子态转变，降低费米能级，使HER在1 M KOH中仅需130 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，显著优于未掺杂样品（Δη>90 mV）。
3. 多环境适用性：该电极在酸性（0.5 M H₂SO₄）和中性（1.0 M PBS）条件下HER过电位分别为141 mV和327 mV，OER性能同样突出（最低312 mV），且法拉第效率稳定在92%以上。
4. 协同效应解析：DFT计算揭示卤素（F/Cl）与杂原子（如硼）的电子结构调控作用——硼的较低电负性（相比碳）形成反应位点正电势，加速电荷转移；磷掺杂则通过极化基底增强结构稳定性。

结论与意义
该研究首次实现醋糟衍生碳材料的杂原子-卤素多维协同调控，证实氮掺杂对C-F键构型转变的关键作用。所开发的全碳电极在活性、稳定性和成本三方面均超越现有金属基催化剂，其工业化生产可行性（每克电极材料可处理10⁴升水）为可再生能源制氢提供了规模化应用路径。这项成果不仅拓展了农业废弃物高值化利用场景，更为设计新型非贵金属催化剂提供了"电子结构-活性位点-宏观性能"的全链条研究范式。