利用焦耳热法合成负载PtNiCo纳米颗粒的碳纤维，用于氢气演化反应

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Joule heating synthesis of PtNiCo nanoparticles-loaded carbon fibers for hydrogen evolution reaction

本研究通过电纺与焦耳热冲击技术制备PtNiCo纳米颗粒负载于高导电NiCo增强碳纳米纤维催化剂，实现碱性HER低过电位（43 mV）和高稳定性（180小时），并制备IrNiCo/CNFs阳极用于整体水裂解，电压低至1.551 V。该策略简化了传统工艺，为纳米纤维结构电催化剂的快速合成提供新思路。

　　在当前全球能源需求不断增长的背景下，如何有效利用可再生能源并减少对化石燃料的依赖，成为科学家们关注的重点。氢能源因其高能量密度、可持续性和零碳排放的特性，被认为是未来能源体系的重要组成部分。然而，实现氢能源的大规模应用，需要高效的电催化析氢反应（HER）技术。HER作为氢气生产的最关键步骤之一，其催化性能直接决定了氢气的生产效率与经济性。因此，研究和开发高性能、低成本、稳定的HER催化剂，对于推动氢能源的商业化具有重要意义。

传统的HER催化剂主要依赖于贵金属铂（Pt），其优异的催化活性和快速的反应动力学使其成为首选材料。然而，Pt资源的稀缺性和高昂的成本严重限制了其在大规模应用中的可行性。为此，研究者们不断探索替代方案，其中，通过合金化或掺杂非贵金属材料，以降低Pt的使用量，同时保持或提升催化性能，成为当前的热点方向。例如，过渡金属（如镍Ni、钴Co、铁Fe）因其可调的电子结构和良好的导电性，被广泛用于与Pt形成合金，以优化反应中间体的吸附能，从而提高HER的效率。

在这一研究背景下，本文提出了一种创新的合成方法，结合了电纺丝技术与电流热冲击（Current-Induced Thermal Shock, CTS）工艺，成功实现了PtNiCo纳米颗粒在高导电性NiCo嵌入碳纳米纤维（PtNiCo/CNFs）上的高效分散。该方法不仅简化了传统制备过程中的复杂步骤，还显著提升了催化剂的性能和稳定性。通过精确调控Ni与Co的比例，研究人员能够有效控制纳米颗粒的尺寸和分布，进而优化其催化活性。此外，该方法利用电纺丝技术生成的聚合物纤维作为结构基底，不仅促进了金属前驱体的均匀分散，还实现了金属元素在碳纳米纤维中的均匀分布，为后续的催化性能提升奠定了基础。

该催化剂在碱性条件下表现出优异的HER性能，其过电位仅为43?mV，在电流密度为10?mA?cm?2时，表现出高效的氢气生成能力。更令人印象深刻的是，其塔菲尔斜率仅为50.64?mV·dec?1，表明其具有极高的反应动力学特性。此外，在连续运行180小时后，该催化剂在50?mA?cm?2的电流密度下仍能保持稳定的性能，仅出现75?mV的电压衰减，展现出卓越的耐久性。这一结果表明，PtNiCo/CNFs不仅在活性方面优于传统催化剂，同时在长期稳定性方面也具有显著优势，为实际应用提供了可靠的基础。

为了进一步拓展该催化剂的应用范围，研究人员还制备了基于IrNiCo的阳极材料，用于整体水分解反应。这一阳极材料在10?mA?cm?2的电流密度下，仅需1.551?V的低电压即可实现高效的水分解，显示出其在构建高效水电解系统方面的巨大潜力。通过将阴极和阳极材料结合，研究人员成功构建了一个完整的水电解装置，实现了氢气和氧气的同步生成，为氢能的生产提供了新的思路。

本文的研究方法不仅在催化剂的制备上具有创新性，而且在材料设计和性能优化方面也展现出独特的视角。通过电纺丝技术，研究人员能够制备出具有高比表面积和良好导电性的碳纳米纤维结构，这为纳米颗粒的均匀负载提供了理想的载体。随后，利用CTS技术实现快速的碳化和纳米颗粒的分散，使得整个合成过程更加高效和节能。相比传统的化学气相沉积（CVD）方法，该方法避免了长时间的高温处理，减少了能耗，同时有效防止了纳米颗粒的烧结和聚集，从而提高了催化活性位点的利用率。

此外，本文还深入探讨了PtNiCo/CNFs催化剂的结构与性能之间的关系。通过分析催化剂的表面化学状态和电子结构，研究人员发现，PtNiCo纳米颗粒与NiCo嵌入碳纳米纤维之间的电子相互作用，是提升HER性能的关键因素。这种电子相互作用不仅优化了氢气的脱附动力学，还触发了氢气溢出效应，进一步增强了催化活性。氢气溢出效应是指氢气分子在催化剂表面被释放后，能够通过某种机制扩散至其他活性位点，从而提升整体的催化效率。这一现象在许多纳米催化剂中都有报道，但如何在实际材料中有效实现并增强其效果，仍然是一个挑战。

为了验证这一假设，研究人员对PtNiCo/CNFs催化剂进行了系统的表征分析，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等。这些分析结果表明，PtNiCo纳米颗粒在碳纳米纤维表面均匀分布，且与NiCo基底之间存在明显的电子相互作用。这种相互作用不仅改变了纳米颗粒的电子结构，还促进了氢气的快速脱附，从而提升了HER的整体效率。

除了催化剂的性能提升，本文还强调了其在可持续发展和能源转型中的应用价值。随着全球对清洁能源的需求日益增加，传统的化石燃料资源正面临枯竭的风险，而氢能源作为一种清洁、高效的能源载体，有望在未来能源体系中占据重要地位。然而，实现氢能源的大规模应用，不仅需要高效的HER催化剂，还需要能够稳定运行、成本低廉的材料体系。PtNiCo/CNFs催化剂的出现，为这一目标提供了新的解决方案。其优异的催化性能和稳定性，使其在工业规模的水电解过程中具有广阔的应用前景。

在实际应用中，HER催化剂通常需要在特定的电解液环境中工作，如碱性或酸性溶液。本文所研究的PtNiCo/CNFs催化剂主要在碱性条件下表现突出，这与许多实际应用场景相吻合。例如，在碱性电解水制氢过程中，催化剂的稳定性尤为重要，因为高pH环境可能对材料的结构和性能产生不利影响。通过在碳纳米纤维中嵌入NiCo金属，研究人员不仅提升了材料的导电性，还增强了其在碱性环境中的化学稳定性，使其能够在较长时间内保持高效催化性能。

除了在HER方面的卓越表现，PtNiCo/CNFs催化剂在整体水分解反应中的应用也值得关注。水分解反应通常需要高效的阴极和阳极材料，而本文所制备的IrNiCo/CNFs阳极材料在10?mA?cm?2的电流密度下仅需1.551?V的低电压即可实现高效的氧气析出反应（OER）。这一结果表明，该阳极材料在整体水分解反应中具有良好的匹配性，能够与PtNiCo/CNFs阴极材料协同工作，形成一个高效的水分解系统。

本文的研究成果不仅为HER催化剂的开发提供了新的思路，也为其他类型的电催化反应（如OER、CO?还原等）提供了借鉴。通过优化金属前驱体的比例和合成工艺，研究人员能够制备出具有优异性能的纳米合金催化剂，这在多个领域都具有重要的应用价值。此外，该研究还展示了电纺丝技术和CTS技术在纳米材料合成中的潜力，为未来纳米结构催化剂的制备提供了新的技术路径。

值得注意的是，本文所采用的合成方法具有较高的可扩展性，适用于大规模生产和工业应用。传统的催化剂制备方法往往需要复杂的步骤和高昂的成本，而本文提出的方法则通过简化工艺流程，实现了高效、低成本的催化剂合成。这不仅有助于降低生产成本，还能够提高催化剂的生产效率，从而推动氢能源技术的商业化进程。

总的来说，本文通过结合电纺丝技术与CTS工艺，成功制备出一种高效、稳定的HER催化剂PtNiCo/CNFs。该催化剂在碱性条件下表现出优异的催化性能，具有低过电位、高塔菲尔斜率和出色的稳定性，为氢能的生产提供了新的可能性。同时，该研究还展示了在水分解反应中，PtNiCo/CNFs阴极材料与IrNiCo/CNFs阳极材料的协同作用，为构建完整的水电解系统提供了新的思路。这些成果不仅在基础科学研究中具有重要意义，也为实际应用提供了坚实的理论和技术支持。