铼纳米颗粒耦合纤维状聚苯胺修饰镍泡沫构建高效双功能电解水电极

本研究针对电解水技术中贵金属催化剂成本高、稳定性差的问题，开发了铼纳米颗粒耦合纤维状聚苯胺修饰镍泡沫（Re@fib-PANi@NF）双功能电极。通过界面工程策略，该催化剂在HER和OER中分别实现530 mV@700 mA cm-2和410 mV@800 mA cm-2的低过电位，且稳定性超过50小时，为廉价金属催化剂设计提供了新思路。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其制备技术中的电解水过程一直受制于贵金属催化剂的高成本问题。目前商业化的铂基（Pt/C）和铱氧化物（IrO₂/C）催化剂虽性能优异，但稀缺性和价格成为规模化应用的瓶颈。尽管钌（Ru）等替代材料已取得进展，其研究已趋近饱和，亟需开发新型催化体系。铼（Re）因其独特的电子结构和适中的氢吸附能引起关注，但纳米颗粒易团聚、与基底结合弱等问题严重制约其实际应用。

针对这些挑战，韩国全南大学的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果，通过设计纤维状聚苯胺（fib-PANi）界面层，成功将铼纳米颗粒锚定在镍泡沫（NF）上，构建出高性能双功能电极。该研究巧妙利用基底诱导聚合策略，在保持NF多孔结构的同时，通过一维纤维的丰富氮位点实现Re的高密度负载，最终获得的Re@fib-PANi@NF催化剂在酸性和碱性条件下均展现出超越商业催化剂的活性与稳定性。

关键技术方法包括：1）通过动态搅拌实现纤维状PANi在NF上的可控生长；2）化学还原法将ReCl₃转化为金属Re纳米颗粒；3）采用XRD、FESEM、HRTEM和XPS等多尺度表征手段解析材料结构；4）通过三电极体系在0.5 M H₂SO₄（HER）和1.0 M KOH（OER）中评估电化学性能；5）结合Tafel斜率和EIS分析反应动力学。

3. 结果与讨论

3.1 材料结构特性

FESEM显示fib-PANi以开放孔隙结构包裹NF骨架，HRTEM证实Re纳米颗粒（2-4 nm）均匀分散。XPS分析揭示Re⁰与ReO₃共存，而N 1s谱中399.6 eV的苯二胺氮峰证实了PANi对Re的锚定作用。相比静态聚合形成的致密film-PANi，动态合成的纤维结构使电极比表面积提升3倍。

3.2 HER性能

在酸性条件下，Re@fib-PANi@NF表现出接近Pt/C的起始电位（0.05 V vs RHE），700 mA cm^-2电流密度下过电位仅530 mV。其29 mV dec^-1的Tafel斜率低于Pt/C（33 mV dec^-1），表明Volmer-Tafel机制主导的快速复合步骤。EIS显示该电极电荷转移电阻比film-PANi修饰样品降低67%。

3.3 OER性能

碱性环境中，Re@fib-PANi@NF在800 mA cm^-2下过电位为410 mV，优于多数报道的非贵金属催化剂。42 mV dec^-1的Tafel斜率证实其优越的电荷转移动力学。50小时恒流测试后电压无衰减，XPS显示表面形成的ReO₃可能参与催化循环。

4. 结论与展望

该研究通过精确调控PANi的纤维形貌，解决了Re纳米颗粒易团聚、与基底结合弱的难题。独特的界面设计使电极兼具高活性位点密度（Re负载量提升2.5倍）和快速传质能力（孔隙率>85%）。相比传统粉末催化剂，这种自支撑电极省去了粘结剂，其工业化生产潜力显著。更重要的是，该策略可拓展至其他过渡金属体系，为设计低成本、高效率的电解水装置提供了普适性方案。后续研究可进一步优化Re的氧化态调控，探索其在海水电解等复杂体系中的应用。