导语
电催化领域在向氢能与先进电池应用迈进时，常面临催化剂活性、稳定性与多功能性难以协同优化的挑战。近日，东北师范大学吴兴隆教授团队在《ACS Catalysis》上发表研究，采用无溶剂焦耳加热技术（1000°C, 20秒），快速构建了Pt₈V-V₂O₃异质结构。该材料通过界面电子调控，在碱性析氢反应中质量活性达到商业Pt/C的10.6倍，基于其组装的锌-空气电池可稳定循环超过5550次，用于阴离子交换膜电解水时能在1000 mA cm⁻²的高电流密度下持续运行507小时。这项工作为设计高性能、耐用的多功能电催化剂提供了新的思路和材料体系。
研究要点
高效合成：利用焦耳热实现瞬时高温合成，过程仅需20秒。
性能突出：在1.0 M KOH中，HER质量活性为Pt/C的10.6倍（1.69 A mgₚₜ⁻¹）；ORR半波电位达0.89 V。
稳定性卓越：锌-空气电池循环超过5550次；AEM电解水在1000 mA cm⁻²下稳定运行507小时。
机制清晰：表征与计算表明，界面处存在V₂O₃向Pt₈V的电子转移，形成的“电子桥”优化了反应中间体的吸附行为。
图文解读
图1：材料形貌、结构及电子性质表征
透射电镜图像显示，尺寸约2.2 nm的Pt₈V-V₂O₃纳米团簇均匀分布在氮掺杂多孔碳上。高分辨图像及FFT分析证实了Pt₈V与V₂O₃两相之间形成了紧密的异质结界面。同步辐射X射线吸收精细结构谱分析表明，V的K边吸收边向高能方向移动，而Pt的L₃边白线峰强度介于Pt箔与PtO₂之间，这些现象揭示了界面处存在从V₂O₃到Pt₈V的电子转移。
图2：析氢反应性能及电解水应用评估
在碱性电解液中，该催化剂达到10 mA cm⁻²电流密度所需的过电位仅为13.5 mV，Tafel斜率为11.2 mV dec⁻¹。其质量活性约为商业Pt/C的10.6倍。将催化剂应用于阴离子交换膜电解水阴极，在1000 mA cm⁻²的高电流密度和80°C条件下，装置能够稳定运行507小时，电压衰减速率缓慢。
图3：氧催化性能及双功能活性分析
对于氧还原反应，催化剂的半波电位为0.89 V，并表现出较高的四电子路径选择性。同时，其析氧反应活性与RuO₂相当。结合ORR和OER性能，其双功能活性指标（ΔE）为0.743 V。经过5000圈加速耐久性测试后，催化剂的氧还原性能未发生明显衰减。
图4：锌-空气电池器件性能
以该催化剂为空气阴极组装的液态锌-空气电池，其开路电压为1.476 V，峰值功率密度达到226 mW cm⁻²。在5.0 mA cm⁻²的电流密度下，电池比容量为750 mAh g₂ₙ⁻¹。长循环测试显示，电池在超过5550个循环周期内保持了稳定的充放电性能。
图5：催化过程的原位谱学研究
通过原位傅里叶变换红外光谱，可以观察到在析氢反应电位下，与水分子的O-H伸缩及H-O-H弯曲振动相关的信号发生变化。原位拉曼光谱则在氧还原反应过程中，检测到如O₂⁻、*OOH等关键中间体的特征信号，为反应路径提供了依据。
图6：密度泛函理论计算
理论计算显示，在Pt₈V-V₂O₃界面处存在明显的电荷重新分布。态密度分析表明，界面相互作用使Pt的d带中心下移，这有助于优化对反应中间体的吸附强度。自由能计算进一步揭示，该催化剂在氧还原和析氢反应中的关键步骤能垒显著降低。
总结与展望
本研究展示了一种利用焦耳热快速合成异质结构催化剂的有效策略。所制备的Pt₈V-V₂O₃材料在多项电催化反应及器件中均展现出优异的性能和稳定性，这主要得益于界面电子转移对活性位点电子结构的精细调控。该工作为探索新型界面工程以突破催化剂性能瓶颈提供了参考。未来的研究可关注该合成策略在不同材料体系中的扩展，以及催化剂在实际膜电极组件中的长期运行行为。
文献信息：
Xin-Yi Zhang, Hang Yin, Han-Hao Liu, et al., Xing-Long Wu*. Pt₈V–V₂O₃ Interfacial Electronic Bridge: Balancing Catalytic Activity-Stability-Multifunctionality for Durable AEM Water Electrolysis and Zn–Air Batteries. ACS Catal. 2025.
https://doi.org/10.1021/acscatal.5c06760
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