电纺碳纳米纤维负载Cu/Cu2O纳米颗粒作为高性能光催化燃料电池阴极催化剂的研究

本研究针对光催化燃料电池（PFC）系统中光阴极效率低、稳定性差的核心问题，设计了一种通过静电纺丝-煅烧法制备的Cu-Cu2O/碳纳米纤维（CNFs）复合光阴极。该材料通过构建Cu/Cu2O异质界面和氧空位，显著提升了氧还原反应（ORR）活性和电荷分离效率，使PFC系统在2小时内实现83%的罗丹明B（RhB）降解率和42.99 μW/cm2的最大功率密度，性能远超商用Cu2O阴极。研究为开发高效铜基光电极提供了新思路。

　　

随着工业化的快速发展，环境污染和能源短缺问题日益严峻，光催化燃料电池（PFC）技术因其能同步实现污染物降解和能量转换而备受关注。然而，传统PFC系统存在能量回收率低、需外加偏压等瓶颈，其中光阴极材料的性能尤为关键。目前，Pt基材料虽活性优异但成本高昂，而Cu₂O等廉价材料又面临导电性差、稳定性不足的挑战。如何通过材料设计突破这些限制，成为推动PFC应用的核心问题。

针对这一难题，国内研究人员通过静电纺丝-煅烧法创新性地构建了Cu-Cu₂O/碳纳米纤维（CNFs）复合光阴极。该材料将Cu-Cu₂O纳米颗粒均匀锚定在富含氧空位的导电CNFs上，形成一维中空结构。研究团队采用双光电极PFC系统评估性能，结合实验表征和理论计算，揭示了材料结构与催化机理的关联。

关键技术方法
研究通过静电纺丝制备前驱体纤维，经不同温度（650-800°C）煅烧调控Cu/Cu₂O比例和形貌；利用SEM、XPS等表征材料结构；通过电化学测试评估ORR活性；采用密度泛函理论（DFT）计算分析界面电子转移机制；以WO₃/rGO为光阳极构建PFC系统，测试RhB降解率和功率密度。

结果与讨论
形貌与结构调控：SEM显示Cu-Cu₂O纳米颗粒（约200 nm）均匀分布在CNFs表面，800°C煅烧形成的中空结构增大了活性位点暴露（图1b）。XPS证实氧空位和Cu⁰/Cu⁺共存态的存在，优化了电子结构。
性能优势：与商用Cu₂O阴极相比，Cu-Cu₂O/CNFs光阴极的PFC系统功率密度提升近15倍（42.99 μW/cm²），RhB降解率提高30%，且循环稳定性显著增强。
机理阐释：DFT计算表明Cu/Cu₂O界面降低了ORR能垒（0.45 eV），CNFs的快速电子传输抑制了载流子复合，氧空位则促进了O₂吸附活化。

结论与意义
该研究通过界面工程和载体设计，成功开发出高效稳定的Cu-Cu₂O/CNFs光阴极。其创新性体现在：（1）导电CNFs骨架提升电荷分离效率；（2）Cu/Cu₂O异质结构优化ORR路径；（3）氧空位调控局部配位环境。这项工作不仅为PFC系统提供了性能优异的阴极材料，也为设计其他光电催化材料（如CO₂还原、水分解催化剂）提供了范式。论文发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，通讯作者为Li Chundong团队。