导语
面对绿氢产业对高效低成本催化剂的迫切需求，大连海事大学宗旭/马伟光团队与中国科学院大连化学物理研究所范文俊团队在《Advanced Functional Materials》上发表创新研究成果。该研究通过1200°C高温冲击技术与氟掺杂策略相结合，在秒级时间内成功制备出负载于多壁碳纳米管上的IrNi合金电催化剂，解决了碱性析氢反应中界面水排列无序与解离能垒高的关键难题。所制备催化剂在极低铱负载量下，过电位仅为31 mV，并在实际电解槽中实现1 A cm⁻²的高电流密度，性能远超商用铂碳催化剂，为绿氢规模化生产提供了颠覆性解决方案。
🔍 研究亮点
秒级合成技术：采用1200°C高温冲击技术，10秒内实现IrNi合金纳米团簇的快速形成与均匀锚定
卓越催化性能：过电位仅31 mV（@10 mA cm⁻²），性能超越商用铂碳，在1.82 V低电压下实现1 A cm⁻²电流密度
创新氟掺杂机制：氟原子通过与水分子形成强氢键有序化界面水排列，同步调控IrNi合金电子结构
极低贵金属用量：铱负载量仅10 µg cm⁻²，大幅降低催化剂成本，具备产业化经济性
📊 图文解析
图1 形貌与电子结构表征
图1a-b的TEM图像显示IrNi/F-MWCNTs具有更均匀的团簇分布，插图的尺寸分布证实氟掺杂有效控制纳米团簇尺寸。图1c-d的HRTEM展示清晰的晶格条纹，证明催化剂具有良好的结晶性。XPS谱图（图1e-f）揭示氟掺杂对Ir、Ni电子结构的调控作用。XAFS谱图（图1g-i）及FT-EXAFS拟合曲线（图1j）证实IrNi合金的成功形成，小波变换图（图1k）进一步验证局部配位环境变化。
图2 电催化析氢性能
图2a的LSV曲线显示IrNi/F-MWCNTs具有最优的催化活性，图2b的Tafel斜率表明其更快的反应动力学。图2c的电位依赖转化频率证明其本征活性显著提升，图2d的双电层电容反映其电化学活性面积增大。图2e的计时电流法测试证实催化剂在长达50小时内保持稳定，展现优异耐久性。
图3 界面水行为研究
图3a-c显示IrNi/F-MWCNTs在不同pH电解质中均保持优异性能。图3d-e的原子构型模拟揭示氟掺杂对界面水排列的优化作用，图3f的轴向分布函数定量表征水分子取向改善。图3g-h的operando ATR-SEIRAS谱图直接观测到氟掺杂促进水分子有序吸附。
图4 水解离动力学机制
图4a的分子动力学模拟显示氟掺杂显著加速H-O键断裂，图4b-c的原子构型及F-H键距离演化揭示氢键形成机制。图4e-f的投影态密度证明氟掺杂调控d带中心，优化中间体吸附。图4g-h的COHP分析证实Ni-O键强度增强，图4i的动力学同位素效应值验证速率决定步骤变化。
图5-6 反应机理与电解槽性能
图5a-b系统阐明氟掺杂在碱性析氢中的双重作用机制。图6a-b的AEMWE极化曲线显示IrNi/F-MWCNTs组装电解槽性能远超对比样品，图6c的稳定性测试证实其在1 A cm⁻²电流密度下持续稳定运行100小时，展现实际应用潜力。
⚙️ 技术支撑
高温冲击合成系统：具备1200°C瞬时加热与精确控温能力，实现秒级材料合成
多尺度表征平台：集成TEM、XPS、XAFS等先进表征手段，全面解析材料结构与电子特性
原位谱学分析：采用operando ATR-SEIRAS与EIS技术，实时监测反应过程与界面行为
理论模拟体系：结合分子动力学与DFT计算，从原子尺度揭示反应机制
💎 总结与展望
本研究通过氟掺杂与高温冲击技术相结合，成功开发出高性能IrNi合金析氢催化剂，实现了对碱性析氢反应中界面水微环境与解离动力学的同步优化。该催化剂在极低铱负载量下表现出超越商用铂碳的催化活性与稳定性，并在实际电解槽中验证其应用价值。该工作不仅揭示了氟掺杂在加速Volmer反应动力学中的微观机制，更为设计高效、低成本制氢电催化剂提供了新范式，未来通过将该策略拓展至其他催化体系，有望推动绿氢产业的降本增效与规模化发展。
文献信息
Simultaneous Tuning of the Microenvironment and Dissociation Kinetics of Interfacial Water on Electrocatalyst Toward Enhanced Alkaline Water Electrolysis.
Guanghui Zhang; Shengliang Qi; Haidong Wang; Xiaofei Lei; Zexi Zhang; Wei Liu; Xinyi Liu; Yun Zhao; Lei Yang; Weiguang Ma; Wenjun Fan; Xu Zong.
Advanced Functional Materials, 2025.
ISSN: 1616-301X, 1616-3028
DOI: 10.1002/adfm.202517113
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