氢能作为清洁高效的可再生能源载体，其规模化生产依赖于低成本、高效率的电催化水分解技术。然而，传统电解水过程中阳极的氧析出反应（OER）具有较高的热力学电位（1.23 V）和动力学过电位，导致整体能耗居高不下，且产物氧气经济价值有限。近年来，采用热力学电位更低的阳极反应（如甲醇氧化反应，MOR）替代OER，在降低产氢电压的同时联产高附加值甲酸盐，被视为一种极具前景的节能产氢策略。然而，该策略的成功实施亟需开发高活性、高选择性的非贵金属电催化剂，并解决其合成方法复杂、耗时的挑战。
论文简介
2025年12月16日，中国科学技术大学陈维教授团队在Energy Material Advances期刊发表题为"Boosting H2 Generation of Transition Metal Electrocatalysts via Ultrafast Synthesis"的研究论文。本研究提出了一种基于******闪蒸焦耳加热技术（3秒，700-2600°C）******的超快合成策略，在秒级时间内通过精确调控加热参数（如电流）实现了催化剂相结构的可控制备。利用该方法，成功合成了用于阴极析氢反应（HER）的MoO₂/Mo₂C@ACF异质结构，以及用于阳极甲醇氧化反应（MOR）的Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂催化剂。前者得益于快速的焦耳加热过程形成的丰富MoO₂-Mo₂C异质界面，在碱性条件下表现出优异的HER活性（η₁₀ = 81 mV）；后者通过在碳毡基底上引入MoO₂中间层，有效缓解了高温下碳基底的还原作用，诱导出更高氧化态的Ni物种（Ni³⁺），从而显著增强了MOR活性与甲酸盐选择性（400 mA cm⁻² @ 1.42 V vs. RHE, FE > 90%）。以此构建的HER||MOR双电极电解槽仅需1.62 V槽压即可驱动200 mA cm⁻²的电流密度，并稳定运行150小时，相较传统HER||OER体系节能14.0--19.0%，实现了高效、节能的产氢与高值化学品联产。
图文解读
图1. MoO₂/Mo₂C@ACF异质结构的形貌与结构表征
通过XPS、SEM、TEM及元素Mapping等表征手段系统解析了MoO₂/Mo₂C@ACF催化剂的化学状态与微观结构。XPS图谱（图1A）证实了Mo²⁺（Mo₂C）与Mo⁴⁺（MoO₂）共存，C 1s谱中Mo--C键的存在进一步佐证了Mo₂C的形成。SEM图像（图1B--C）显示不规则纳米颗粒均匀锚定在碳纤维上，并形成丰富的多孔结构，有利于暴露活性位点并促进传质。TEM与HRTEM（图1E--F）直观揭示了MoO₂（晶面间距0.28 nm）与Mo₂C（0.24 nm）两相间的清晰异质界面，选区电子衍射（图1G）验证了晶格匹配关系，界面附近的晶格畸变表明存在应变效应，可能通过调节d带中心优化氢吸附自由能，从而提升HER本征活性。
图2. Mo基异质结构的HER电催化性能
在1 M KOH中评估了MoO₂/Mo₂C@ACF及其对照样品的HER性能。LSV曲线（图2A）显示MoO₂/Mo₂C@ACF具有最优活性，仅需81 mV过电位即可达到10 mA cm⁻²，且在100与200 mA cm⁻²高电流密度下过电位分别仅为163 mV与213 mV（图2B）。其塔菲尔斜率为66 mV dec⁻¹（图2C），低于单相催化剂，表明异质界面加速了碱性HER动力学。双电层电容Cdl测试（图2D）表明MoO₂/Mo₂C@ACF具有最大的电化学活性面积（49.6 mF cm⁻²）。此外，该催化剂在10 mA cm⁻²下稳定运行48小时无明显衰减（图2E），且在全pH范围内均表现出色活性（图S8）。性能对比图（图2F）表明其活性优于大多数已报道的Mo基HER催化剂。
图3. Co₀.₁₅-Ni/NiO@ACF催化剂的表征与MOR性能
SEM（图3A）显示碳纤维表面被严重刻蚀并负载有纳米颗粒。HRTEM（图3B）确认NiO（111）晶面的存在。XPS分析（图3C--D）揭示Co掺杂促使催化剂表面Ni物种主要以高价态Ni³⁺形式存在，同时O 1s谱显示氧空位浓度显著增加，两者均有利于提升MOR活性。LSV测试（图3E）表明Co₀.₁₅-Ni/NiO@ACF在含甲醇的碱性电解液中表现出最佳活性，在100 mA cm⁻²仅需1.41 V vs. RHE。ECSA归一化曲线（图3F）证实其本征活性优于未掺杂样品。该催化剂在宽电位窗口内对甲酸盐的法拉第效率接近或超过90%（图3G），并在20 mA cm⁻²下稳定运行48小时（图3H）。
图4. Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂催化剂的形貌与结构表征
以MoO₂@ACF为基底二次焦耳加热合成Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂。SEM（图4A--B）与TEM（图4C）显示其具有分级多孔结构，纳米颗粒均匀分散。HRTEM（图4D--F）同时观察到MoO₂（011）晶面与NiO（111）晶面。元素Mapping（图4G）证实Mo、Ni、Co、O、C共存。关键的是，Ni 2p XPS谱（图4H）显示Ni 2p₃/₂结合能进一步正移至857.7 eV，表明MoO₂中间层的引入有效抑制了碳基底的还原作用，诱导出更高氧化态的Ni物种，为增强MOR活性奠定了电子结构基础。
图5. Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂的MOR电催化性能
LSV曲线（图5A）显示，相较于Co₀.₁₅-Ni/NiO@ACF，Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂在高压区域活性显著提升，达到100与400 mA cm⁻²仅需1.38 V与1.42 V vs. RHE。其塔菲尔斜率在高压区低至55 mV dec⁻¹（图5B），表明更快的反应动力学。ECSA归一化曲线（图5C）证实其本征活性更高，这归因于MoO₂层诱导产生的更高价态Ni活性位点。与OER对比（图5D--E），MOR可在各电流密度下显著降低工作电位（如200 mA cm⁻²下降低320 mV）。该催化剂对甲酸盐始终保持高选择性（FE > 90%，图5F），并在50 mA cm⁻²下稳定运行超过100小时（图5G）。性能对比（图5H）表明其活性达到同类催化剂的领先水平。
图6. HER||MOR共电解系统的整体性能
将MoO₂/Mo₂C@ACF（阴极）与Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂（阳极）组装为两电极电解槽（图6A）。在含甲醇电解液中，该系统达到200与400 mA cm⁻²的槽压分别仅为1.62 V与1.69 V，显著低于传统HER||OER水电解（图6B）。计算表明在20--400 mA cm⁻²范围内可节能14.0--19.0%（图6C）。该系统在50与100 mA cm⁻²高电流密度下连续运行150小时保持稳定（图6D），且性能优于近期报道的大多数MOR||HER耦合体系（图6E），展现了良好的实际应用潜力。
总结展望
总之，本研究提出了一种闪蒸焦耳加热超快合成策略，在秒级时间内成功构筑了具有丰富异质界面的MoO₂/Mo₂C@ACF HER催化剂与高价态Ni物种富集的Co₀.₁₅-Ni/NiO@MoO₂ MOR催化剂。其性能提升的核心机制在于：界面工程优化了Mo基催化剂的氢吸附自由能与电荷转移动力学；而MoO₂中间层的引入则物理隔绝了碳基底的还原作用，稳定并诱导了作为MOR真实活性中心的高价Ni³⁺物种。所制备的催化剂在关键性能指标上表现卓越：阴极HER过电位低至81 mV @ 10 mA cm⁻²；阳极MOR在400 mA cm⁻²超高电流密度下电位仅为1.42 V vs. RHE，且甲酸盐选择性超过90%。集成应用价值体现在所构建的HER||MOR共电解系统实现了低槽压（1.62 V @ 200 mA cm⁻²）、长时稳定运行（150小时）与显著节能（14.0--19.0%），同步产出高纯度氢气与高附加值甲酸盐，为高效、经济的电化学产氢及化学品合成提供了新材料与新路径。未来可探索将该超快合成策略拓展至更多催化剂体系，并进一步研究异质界面与高价金属中心的协同催化机制。
文献信息：Wei Chen, Xiaoyang Wang, Jinghao Chen, Jingwen Xu, Chunyue Shen, Jinlong Yang. Boosting H2 Generation of Transition Metal Electrocatalysts via Ultrafast Synthesis. Energy Mater Adv.