用于高效可扩展阴离子交换膜水电解器的多金属氧硫化物电催化剂的合理设计

《Sustainable Materials and Technologies》：Rational design of multi-metal oxysulfide electrocatalysts for efficient scalable anion exchange membrane water electrolyzer

多金属氧化硫化物催化剂通过溶液燃烧合成与化学浴沉积制备，实现低过电位析氢（70mV@10mA/cm2）与氧析出（273mV@10mA/cm2），构建16cm2碱性水电解槽稳定运行250小时，为低成本氢能生产提供新策略。

　　本研究聚焦于开发一种高效、非贵金属的电催化剂，用于阴离子交换膜水电解（AEMWE）技术，以实现可持续的绿色氢气生产。随着化石燃料的日益枯竭以及气候变化带来的严峻挑战，寻找可替代传统能源的清洁能源方案已成为全球科研和工业界的重要任务。氢气作为一种具有高能量密度和环保特性的能源载体，被认为是一种极具潜力的替代品。然而，水电解技术的广泛应用仍面临诸多障碍，其中最显著的是其高能量消耗和昂贵的催化剂成本。铂和铱等贵金属催化剂虽然在氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）中表现出优异的性能，但其稀缺性和高昂的价格限制了该技术的大规模推广。因此，开发成本低廉、性能优越的非贵金属电催化剂成为当前研究的热点。

本研究提出了一种基于多金属氧化硫化物的新型电催化剂，命名为FCCZN（Fe_0.2Cu_0.2Co_0.2Zn_0.2Ni_0.2），并采用溶液燃烧合成（SCS）和化学浴沉积（CBD）技术进行制备。这两种方法的结合不仅实现了催化剂的高效合成，还有效调控了其表面特性，为提升催化性能提供了新的思路。SCS技术通过自维持的放热反应，能够快速生成具有高比表面积的纳米结构，从而增加活性位点的数量。CBD技术则通过化学反应在基底表面形成硫富集的活性相，进一步优化催化剂的电子结构和活性位点分布。

研究团队通过系统性的材料合成策略，构建了具有分层结构的纳米片-纳米球复合电极，显著提高了电催化剂的活性和稳定性。这种结构设计使得催化剂在碱性条件下表现出优异的性能，其中Cu-FCCZN电催化剂在10?mA?cm^?2时仅需70?mV的过电位，且Tafel斜率仅为87.92?mV dec^?1，远低于传统贵金属催化剂的水平。Fe-FCCZN电催化剂在OER反应中同样表现出色，仅需273?mV的过电位即可达到10?mA?cm^?2的电流密度，且在200?mA?cm^?2下仍能保持良好的稳定性，持续运行超过100小时。这些数据表明，FCCZN电催化剂在降低能耗、提高反应速率和增强稳定性方面具有显著优势。

在结构分析方面，研究发现该催化剂具有丰富的界面氧/硫活性位点，这些位点不仅增强了材料的导电性，还有效稳定了反应中间体，从而提升了整体的催化效率。此外，通过引入多种过渡金属，FCCZN电催化剂形成了更多的活性位点，进一步优化了其催化性能。同时，多金属之间的强金属-金属相互作用（SMMI）和界面/电子耦合效应也被认为是提升催化活性的重要因素。这些特性使得FCCZN电催化剂在实际应用中展现出更高的耐久性和效率。

为了验证其在实际应用中的可行性，研究团队构建了一款16?cm²的阴离子交换膜水电解器，并使用Cu-FCCZN||Fe-FCCZN电催化剂作为双功能电极。该水电解器在1?M KOH溶液中以200?mA?cm^?2的电流密度稳定运行了250小时，其电池电压仅为4.41?V，远低于传统贵金属催化剂系统。这一性能表现不仅优于现有的非贵金属催化剂，也显示出其在工业规模应用中的潜力。此外，该催化剂在不同浓度的KOH溶液（1至6?M）中均表现出良好的适应性，进一步证明了其在实际应用场景中的广泛适用性。

在材料合成方面，研究使用了多种化学试剂，包括铁（III）硝酸盐非水合物、铜（II）硝酸盐三水合物、钴（II）硝酸盐六水合物、锌硝酸盐六水合物、镍（II）硝酸盐六水合物、铁（II）硫酸盐七水合物、铜（II）硫酸盐等。这些试剂通过精确的配比和控制反应条件，实现了多金属氧化硫化物的高效合成。在实验过程中，研究团队还对催化剂的结构和形貌进行了系统的表征，包括X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和场发射透射电子显微镜（FE-TEM）。这些表征手段不仅揭示了催化剂的微观结构特征，还为理解其催化性能提供了重要的理论依据。

研究还强调了表面工程在催化剂性能优化中的关键作用。通过引入硫元素，研究团队成功调控了催化剂的电子结构，使其更接近贵金属的特性，从而提升了其在碱性条件下的催化活性。此外，表面工程还增强了催化剂的稳定性，使其能够在高电流密度下持续运行，而不会发生明显的结构破坏或性能衰减。这些发现为后续研究提供了重要的指导，表明通过合理设计催化剂的表面特性，可以有效提升其在水电解过程中的表现。

本研究的创新点在于其提出了一种全新的催化剂设计理念，即通过多金属协同作用和结构优化，实现对HER和OER的高效催化。这种设计理念不仅突破了传统单一金属催化剂的局限性，还为开发新型非贵金属催化剂提供了可行的路径。此外，研究团队还展示了该催化剂在实际设备中的应用效果，证明了其在工业规模上的可行性。这一成果对于推动绿色氢气生产技术的发展具有重要意义，同时也为未来相关研究提供了新的思路和方法。

综上所述，本研究通过结合SCS和CBD技术，成功制备了一种性能优异、成本低廉的非贵金属电催化剂，并在实际应用中验证了其稳定性和高效性。该催化剂的开发不仅有助于降低绿色氢气生产的成本，还为实现可持续能源转型提供了强有力的技术支持。未来，随着催化剂性能的进一步优化和制备工艺的改进，FCCZN电催化剂有望在更广泛的领域中得到应用，推动氢能产业的快速发展。