异质结构氧化石墨烯与铈基金属有机框架纳米复合材料的协同效应：高效HER和OER电催化剂的设计与性能研究

本研究针对水电解制氢中贵金属催化剂成本高、效率低的问题，通过溶剂热法合成新型GO@Ce-MOF-2异质结构复合材料，经煅烧获得CeO2纳米颗粒。该催化剂在10 mA cm-2电流密度下OER过电位仅201 mV，HER过电位294 mV，兼具低塔菲尔斜率（91/20 mV dec-1）和超长稳定性（1500次循环/50小时），为替代贵金属催化剂提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，水电解制氢技术因其零碳排放特性成为可再生能源存储的关键突破口。然而，该技术大规模应用面临两大瓶颈：一是依赖铂、铱等贵金属催化剂导致成本居高不下；二是现有非贵金属催化剂普遍存在导电性差、活性位点暴露不足等问题。传统催化剂往往仅专精于氢析出反应（HER）或氧析出反应（OER）单一功能，而实际电解槽需要双功能催化剂协同工作。金属有机框架（MOF）材料虽具有超高比表面积和可调控孔隙结构，但其绝缘特性严重制约电化学性能。如何通过材料设计同时解决导电性、活性位点暴露和双功能催化问题，成为该领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，巴哈丁扎卡里亚大学的研究团队创新性地将氧化石墨烯（GO）的导电优势与铈基MOF的结构特性相结合，开发出具有介孔结构的GO@Ce-MOF-2异质结构复合材料。通过溶剂热合成与煅烧工艺，成功获得CeO₂纳米颗粒修饰的复合催化剂。研究发现，该材料在1 M KOH电解液中表现出卓越的双功能催化性能：OER过程仅需201 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，塔菲尔斜率低至91 mV dec^-1；HER性能同样突出，过电位和塔菲尔斜率分别为294 mV和20 mV dec^-1。更引人注目的是，材料在1500次循环伏安测试和50小时恒电流测试后仍保持稳定结构，电荷转移电阻显著降低。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds Communications》的研究，首次揭示了Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对与GO导电网络的协同效应机制，为设计新一代非贵金属双功能催化剂提供了理论依据和实践范式。

关键技术方法包括：1）溶剂热法构建Ce-MOF-2与GO的异质结构；2）高温煅烧制备CeO₂纳米颗粒；3）采用三电极体系进行电化学性能测试；4）通过循环伏安法和计时电流法评估稳定性；5）粉末X射线衍射（PXRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料结构。

【材料与表征】PXRD分析证实成功合成高结晶度Ce-MOF-2，煅烧后转化为立方相CeO₂。FTIR显示GO表面含氧官能团与MOF配位键的形成，SEM观察到GO片层上均匀分布的MOF衍生纳米颗粒。

【电化学性能】线性扫描伏安曲线显示，GO@Ce-MOF-2衍生催化剂在OER过程中起始电位仅1.42 V（vs RHE），低于多数报道的非贵金属催化剂。电化学阻抗谱揭示复合材料电荷转移电阻比纯MOF降低85%，证实GO显著提升电子传输效率。

【稳定性机制】XPS分析发现煅烧后材料保持Ce³⁺/Ce⁴⁺混合价态，这种可逆氧化还原特性协同GO的导电网络，共同保障了长期循环中的结构稳定性。比表面积测试显示复合材料具有156 m² g^-1的介孔结构，为反应物传输提供通道。

该研究通过精准的界面工程设计，成功解决了MOF材料导电性差与活性位点利用率低的共性问题。GO的引入不仅构建了三维导电网络，还通过表面官能团调控MOF结晶行为，形成具有丰富界面效应的异质结构。CeO₂纳米颗粒与GO的协同作用，使得氧空位浓度提升3倍，显著加速了水分子解离动力学。相较于文献报道的CeO₂/Co₃O₄（366 mV过电位）和Ce-MOF-NH₂/NF（328 mV过电位）等同类材料，本研究催化剂在过电位和稳定性方面实现突破性进展。这种"导电基底-活性中心"的模块化设计策略，可扩展至其他过渡金属MOF体系，为开发低成本、高效率的工业电解水装置奠定了材料基础。