海胆状W/WO2-还原氧化石墨烯异质结构高效催化碱性电解质析氢反应研究

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Efficiently enhanced hydrogen evolution reaction in alkaline electrolyte of urchin-like W/WO 2 microspheres with reduced graphene oxide as catalysts

本文推荐一种通过热解还原法合成的W/WO2-rGO/NF异质结构催化剂，其海胆状微球结构显著提升碱性HER（Hydrogen Evolution Reaction）活性。该材料通过金属W/WO2动态质子富集表面与rGO（reduced Graphene Oxide）电子传输层的协同作用，实现59 mV@10 mA cm?2的低过电位和优异稳定性，为低成本碱性制氢提供了新策略。

　　

Highlight

本研究创新性构建了W/WO₂-rGO/NF异质结构催化剂，其海胆状微球通过以下机制突破碱性HER瓶颈：

1. 1.

   金属W/WO₂界面形成动态质子富集活性位点，实现可逆氢吸附/脱附

2. 2.

   rGO层作为"电子高速公路"加速电荷传输，同时保护WO₂免受碱液腐蚀

3. 3.

   氧空位调控电子结构，促进H-OH键断裂

Results and discussions

形貌与机理分析

扫描电镜显示，前驱体W₁₈O₄₉呈现由纳米棒自组装的海胆状结构（图S1），这种三维分级孔隙使活性位点暴露量提升300%。XPS证实热解后形成的W⁰/W⁴⁺异质界面产生强电子耦合效应，使质子吸附能降低至-0.12 eV。原位拉曼光谱首次捕获到H_xWO₃中间体（氢钨青铜），揭示了"质子水库"机制。

电化学性能

在1 M KOH中，催化剂达到10 mA cm^?2仅需59 mV过电位，塔菲尔斜率低至52 mV dec^?1，优于多数非贵金属催化剂。持续电解100小时后，电流密度保持率＞95%，归因于rGO的"铠甲效应"——其sp²碳层将WO₂溶解速率抑制在0.002 h^?1。

Conclusion

该工作通过精准设计W/WO₂金属-氧化物异质结与rGO保护层的"双功能协同"体系，为开发高效碱性HER催化剂提供了新范式。这种"质子富集-电子快速通道-结构稳定"三位一体策略，可拓展至其他过渡金属催化体系。