香烟滤嘴衍生大孔碳负载镍钴硒化物用于高效稳定电催化水分解的研究

本研究针对可再生能源领域的关键挑战，开发了一种基于香烟滤嘴/活性炭衍生大孔碳电极（MCE）的自支撑双功能电催化剂（NiCoSe2/MCE）。通过冷冻凝胶法和电沉积技术，实现了对HER（162 mV@10 mA cm?2）和OER（290 mV@10 mA cm?2）的低过电位催化，并展现出24小时99%的稳定性。该工作为低成本材料在电解水制氢中的应用提供了新思路。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，发展高效清洁的氢能技术成为全球焦点。电催化水分解因其零碳排放特性备受关注，但当前贵金属基催化剂成本高昂，非贵金属催化剂又面临活性不足、稳定性差等瓶颈。如何通过材料设计同时优化氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）的双功能催化剂，成为突破该领域技术壁垒的关键。

针对这一挑战，泰国Walailak大学的研究团队创新性地将废弃香烟滤嘴转化为高性能催化基底，开发出镍钴硒化物（NiCoSe₂）修饰的大孔碳电极（MCE）。该研究通过冷冻凝胶-碳化联用技术构建三维贯通孔道结构，结合电沉积参数调控，实现了催化剂电子结构与活性位点的精准优化。实验表明，所得NiCoSe₂/MCE在10 mA cm^?2电流密度下HER过电位仅162 mV，OER过电位低至290 mV，且连续运行24小时后仍保持99%的初始活性。密度泛函理论（DFT）计算揭示硒位点4d电子态对氢吸附自由能的调控机制，为设计新型催化剂提供了理论依据。相关成果发表在《Journal of Electroanalytical Chemistry》，为废弃资源高值化利用和绿色制氢技术发展提供了新范式。

关键技术包括：1）以香烟滤嘴和棕榈叶柄活性炭为原料，通过冷冻凝胶法制备三维大孔碳基底；2）采用循环计时电流法调控Ni、Co、Se电沉积比例；3）通过同步辐射等技术表征材料电子结构；4）结合DFT计算分析催化活性位点机制。

【研究结果】

1. 大孔碳电极制备：优化凝胶浓度（2 g）与交联剂比例，获得孔径50-200 μm的导电网络，比表面积达980 m² g^?1，电阻率仅0.8 Ω cm。
2. 电沉积调控：当电解液中Ni²⁺/Co²⁺/SeO₃^2?摩尔比为1:1:2时，形成具有金属特性的NiCoSe₂纳米片，暴露更多(211)活性晶面。
3. 催化性能：在1 M KOH中，NiCoSe₂/MCE的Tafel斜率（HER 53 mV dec^?1，OER 61 mV dec^?1）优于多数二元硒化物，全水解装置仅需1.90 V驱动。
4. 机理研究：Se 4d轨道电子在费米能级附近形成杂化态，使氢吸附自由能（ΔG_H*）接近理想值（-0.12 eV），显著提升HER动力学。

【结论与意义】
该研究通过"废弃物转化-结构设计-机理阐释"的研究路径，证实香烟滤嘴衍生碳材料可作为理想催化载体。NiCoSe₂/MCE中双金属协同与多级孔道结构的结合，既促进电子/质子的快速传输，又加速气泡脱附，这是其兼具高活性和稳定性的关键。工作不仅为废弃滤嘴的资源化利用开辟新途径，更为设计非贵金属双功能催化剂提供了普适性策略，对推动电解水制氢技术产业化具有重要参考价值。