环境学院邓兵课题组在电解水绿氢催化剂的设计和制备领域取得系列进展
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清华新闻网8月11日电 氢能是实现碳中和目标的重要清洁能源载体，电催化水分解中的析氢反应是制备氢气的关键步骤，而高效稳定的催化剂材料是电催化水分解的核心。传统基于贵金属的催化剂尽管活性高，但贵金属成本高昂、资源有限，限制了电解水绿氢技术的推广。近期，清华大学环境学院邓兵课题组与国内外团队合作，基于闪速焦耳热技术实现了一系列高效、稳定、低贵金属载量的催化剂材料制备，为绿氢技术的发展和应用提供了支撑。
首先，研究团队提出了碳纳米管限域催化策略，着力解决电催化产氢催化剂使用稳定性问题。研究采用瞬时闪速焦耳加热技术，在毫秒级时间内将前驱体材料转化为纳米结构催化剂。铂原子被单独锚定在碳纳米管包裹的碳化钨晶体载体上，形成类似链甲结构，不仅提升了催化活性，还显著增强了耐久性。该催化剂在酸性条件下仅需45.2毫伏的过电位即可达到每平方厘米10毫安的电流密度，且在连续运行超过500小时后依然表现稳定。机理分析表明，铂与碳化钨之间的强相互作用能够优化电子分布，并改善氢气的吸附与释放行为。相关研究成果以“碳纳米管限域单位点铂/碳化钨用于高效稳定电催化”（Confined Flash Pt1/WCx inside Carbon Nanotubes for Efficient and Durable Electrocatalysis）为题，于2025年2月26日作为封面论文发表于《纳米快报》（Nano Letters）。
图1.碳纳米管限域铂-碳化钨材料用于高效稳定电催化
第二，研究团队开发了无定形化和组分优化方法，制备了性能超过商用铂碳材料的三元金属磷化物催化剂。非晶材料因其丰富的活性位点和独特的电子结构，在清洁能源催化方面表现出巨大的潜力。然而，这类材料往往难以快速、可控地合成。研究团队通过超快加热与冷却，使金属前驱体在极短时间内冷凝为非晶纳米粒子，不仅突破了合成难题，也实现了成分的精准调控。优化后的铂-镍-磷（PtNiP）三元催化剂展现出近乎理想的氢吸附自由能（0.02eV），在酸性电解质中仅需14毫伏过电位即可驱动析氢反应，催化活性超越了商用贵金属铂催化剂，质量活性比商用Pt/C催化剂高出五倍。生命周期评估和技术经济分析表明，闪速焦耳热方法相比传统工艺在能耗、碳排和成本方面均具显著优势。相关研究成果以“三元金属磷化物无定形化和组分优化耦合实现高效电催化绿氢制备”（Coupling Amorphization and Compositional Optimization of Ternary Metal Phosphides toward High-Performance Electrocatalytic Hydrogen Production）为题，于2025年5月5日发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。
图2.三元金属磷化物无定形化和组分优化耦合实现高效电催化绿氢制备
第三，研究团队实现了亚纳米线过渡金属碳化物的精准合成，显著降低了高效催化剂制备成本。通过超快加热和冷却速率，在毫秒级时间内制备出亚纳米碳化钼（MoCx）线。利用单壁碳纳米管（SWNTs）作为导热模板，通过封装多钼酸盐簇阵列的碳热还原反应，无需溶剂、催化剂或特殊气体，即可合成一维碳化钼纳米线。碳化物-纳米管复合材料具有富电子表面，可稳定固定铁酞菁分子，形成复合催化剂。该催化剂在碱性氧还原反应中表现出卓越性能，半波电位高达0.91V。团队开发了单位点铂负载碳化钼链甲催化剂，在酸性析氢反应中展现出超高催化效率，质量活性达4.84 A mgPt⁻¹，塔菲尔斜率低至37.4 mV dec⁻¹，且稳定性超过350小时。相关研究成果以“碳化物纳米线和单壁碳纳米管强界面相互作用用于高效催化”（Strong Interactions Between Flash Sub-Nanometer Carbide Nanowires and Single-Walled Carbon Nanotubes for Catalysis）为题，于2025年8月3日发表于《美国化学会·纳米》（ACS Nano）。
图3.碳化物纳米线和单壁碳纳米管强界面相互作用实现高效催化
邓兵为以上论文的通讯作者，论文主要合作者（共同通讯/第一作者）包括山西大学副教授朱胜、山西大学教授韩高义、南方科技大学副教授吴振禹、美国莱斯大学教授詹姆斯·图尔（James M. Tour）、美国莱斯大学副教授汪淏田（Haotian Wang）、美国科尔班大学教授赵玉峰（Yufeng Zhao）等。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、清华大学自主科研项目等的资助。
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