在全球能源转型的浪潮中，氢气作为一种清洁、高效的能源载体，正逐渐成为未来可持续能源体系的核心组成部分。然而，传统的制氢方法因依赖化石燃料而面临高能耗和碳排放的双重挑战。电催化水分解制氢技术因其高效、环保的特性而备受关注，尤其是在酸性条件下的氢气进化反应（HER）。尽管铂（Pt）基催化剂在该领域占据主导地位，但其高昂的成本和在高电流密度下的稳定性问题，严重限制了其大规模应用。因此，开发低成本、高性能的非贵金属催化剂成为当前研究的热点。德克萨斯大学的研究团队通过闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，成功制备了高性能的钨碳化物电催化剂，为这一领域带来了新的突破。
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快速合成：通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，仅需几秒即可完成钨碳化物电催化剂的合成，显著提高了生产效率。
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高性能：经过30秒FJH处理的样品（TC-3）在高电流密度下展现出极低的过电位（387 mV）和卓越的耐久性，能够在4 A/cm²的电流密度下稳定运行超过9天。
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低成本：该方法无需使用贵金属催化剂，降低了生产成本，同时利用废料作为原料，进一步提高了经济性。
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环境友好：FJH技术具有低能耗、低CO₂排放的特点，符合可持续发展的要求。
1. FJH工艺与钨碳化物电催化剂的制备
图1展示了钨碳化物电催化剂的制备过程及其闪蒸焦耳加热（FJH）实验装置。研究团队首先将碳纸在丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗，然后通过空气等离子体处理使其表面亲水。随后，将碳纸浸入0.5 M的钨酸钠溶液中，干燥后夹在两片石墨毡之间，通过FJH在1秒内快速升温至900°C进行合成。通过控制FJH处理时间（3秒、10秒、30秒和60秒），成功合成了不同相组成的钨碳化物电极。
2. 相组成与微观结构分析
图2呈现了不同FJH处理时间制备的钨碳化物样品的X射线衍射（XRD）图谱和拉曼光谱。XRD图谱显示，随着FJH处理时间的增加，样品的相组成发生变化，主要包含钨单碳化物（WC）、钨半碳化物（W2C）以及少量金属钨（W）。其中，30秒处理的样品（TC-3）展现出最佳的相组成平衡。拉曼光谱进一步揭示了样品的结构信息，其中686 cm⁻¹处的特征峰对应于W-C伸缩模式，而250 cm⁻¹处的峰则与表面氧化相关的WC-O键有关。
图3通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）展示了不同FJH处理时间制备的钨碳化物样品的微观形貌和原子结构。SEM图像显示，随着FJH处理时间的增加，样品的形貌从稀疏分布的纳米颗粒（TC-1）逐渐转变为致密的多孔结构（TC-2和TC-3），再到相互连接的致密层（TC-4）。其中，TC-3样品呈现出均匀分散的纳米颗粒，尺寸约为70纳米，这种结构为氢气进化反应提供了更多的活性位点。
3. 电催化性能测试
图4展示了不同FJH处理时间制备的钨碳化物样品在酸性环境中的氢气进化反应（HER）性能。实验结果表明，经过30秒FJH处理的样品（TC-3）在10 mA/cm²和4 A/cm²的电流密度下分别展现出最低的过电位（180.97 mV和387 mV），优于其他样品和商业Pt/C催化剂。此外，TC-3样品在4 A/cm²的高电流密度下能够稳定运行超过9天，展现出卓越的耐久性。
4. 密度泛函理论（DFT）计算
图5通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了多相钨碳化物电催化剂的原子结构和电子性质。计算结果表明，多相结构中的W原子具有更低的d带中心，从而在界面处形成了更稳定的电子结构，这使得W原子与氢原子之间的键合减弱，更有利于氢气的生成。
本研究成功采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术制备了高性能的钨碳化物电催化剂，为酸性氢气进化反应（HER）提供了一种高效、稳定的解决方案。通过优化FJH处理时间，实现了钨单碳化物（WC）和钨半碳化物（W2C）的共存，并充分利用了两相之间的协同效应。特别是经过30秒FJH处理的TC-3催化剂，在高电流密度下展现出优异的HER性能和稳定性，使其成为工业规模氢气生产应用中极具潜力的候选材料。
深圳中科精研作为一家专注于先进材料研发与应用的企业，致力于推动高性能催化剂的产业化发展。其研发的高性能钨碳化物催化剂，不仅在电催化水分解制氢领域展现出卓越性能，还通过优化生产工艺，降低了生产成本，提高了生产效率。深圳中科精研的创新技术与德克萨斯大学的FJH技术相结合，有望进一步推动高性能催化剂在更多领域的应用，为可持续发展贡献力量。
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