广西大学钱光付博士CEJ：木质素碳异质结助力全pH析氢：高电流密度稳定制氢新突破！

第一作者：李镰岑

通讯作者：钱光付*

单位：广西大学

实现绿色高效的电解水制氢亟需兼具高活性、宽pH适应性与工业电流稳定性的电催化剂。然而，多数非贵金属催化剂在强酸、中性或碱性环境下表现不一，且在高电流密度下易因气泡堆积、结构剥离和腐蚀失活而性能衰减。木质素衍生碳作为可再生碳资源，具备良好导电性和耐腐蚀性，为催化剂设计提供了绿色解决方案，但传统粉体碳基载体仍受限于粘结剂与结构不稳问题。为此，开发自支撑、异质结构调控的木质素碳复合体系，成为突破高电流密度与pH通用性难题的关键策略。基于此，本文提出了一种将Mn₂Mo₃O₈/Ni异质结嵌入自支撑木质素碳框架的新型催化剂，在多种pH条件和工业级高电流密度下均展现出优异的析氢性能和长期稳定性。

通过将Mn₂Mo₃O₈-Ni异质结纳米粒子嵌入自支撑的木质素衍生碳框架，显著提高了析氢反应（HER）的催化性能。XPS分析显示，由于电负性差异，在形成异质结后发生了明显的电子转移，具体而言，Ni相中的电子向Mn₂Mo₃O₈相转移，而Ni和Mn₂Mo₃O₈相均向木质素碳转移电子。这种电子相互作用优化了催化剂的电子结构，形成了富电子的木质素碳和缺电子的Ni-Mn₂Mo₃O₈，在木质素碳上形成了活性位点，从而增强了HER反应催化活性。

电化学性能测试表明，LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF催化剂在不同pH条件下表现优异：在碱性环境中，驱动−10 mA cm^-2电流密度所需的过电位为54.7 mV，在酸性环境中为39.5 mV，在中性环境中为84.2 mV，相比之下，Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF的过电位分别为121.3 mV、70.7 mV和96.4 mV，显示出木质素碳和Mn₂Mo₃O₈-Ni异质结的协同效应有效优化了电子结构，提升了催化活性。

LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF催化剂呈现出纳米片-纳米颗粒的形貌，这种高比表面积的结构带来了优异的气液传输能力，在高电流密度下尤为突出。催化剂的超亲水性确保了更好的润湿性，快速吸收水滴，且吸收时间不到20毫秒，远远快于其他样品，表现出明显的超亲水特性。实验中，LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF在高电流密度下的氢气释放行为也显示出气泡快速脱离电极表面，极大减少了气泡附着和聚集，改善了气液传输效率，这为其在工业水电解中的应用提供了保障。

得益于催化剂的超亲水疏气性，LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF在−500 mA cm^-2电流密度下稳定运行超过140小时性能几乎没有衰退，过电位仅增加26 mV（碱性）、22 mV（酸性）和27 mV（中性）。相比之下，没有木质素碳的Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF在相同条件下的稳定性较差。在长期运行中，LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF展现出优异的机械和化学稳定性，其木质素衍生碳层有效防止了催化剂的团聚和腐蚀，确保了催化剂在高电流密度下的长期稳定性。

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究揭示了木质素衍生碳和Mn₂Mo₃O₈-Ni异质结的协同效应如何优化催化剂的电子结构。计算结果显示，异质结的形成使得Ni向Mn₂Mo₃O₈平均转移了0.73个电子，而木质素碳的引入使得Ni和Mn₂Mo₃O₈分别向木质素碳平均转移了1.69和0.58个电子。这种电子重构增强了碳层的H吸附能力，降低了水分解的能垒，从而促进了Volmer步骤，提高了析氢反应的效率。此外，LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF的H吸附自由能接近理想值，优化了吸附和脱附过程，进一步提高了HER效率。水解离能方面，LC-Mn₂Mo₃O₈@Ni/NF的水分解能量为0.61 eV，显著低于其他催化剂，证明有利碱性和中性HER反应的发生。

Embedding Mn₂Mo₃O₈/Ni heterojunctions in self-supported lignin-derived carbon frameworks for enhanced ampere-level hydrogen evolution reaction under pH-universal conditions

钱光付博士，广西大学助理教授，硕士生导师，2022年7月入职广西大学轻工与食品工程学院，加入王双飞院士团队，同年入选“第八届中国科协青年人才托举工程”。目前，以通讯/第一作者在Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Carbon Energy、Chemical Engineering Journal、Green Energy & Environment等期刊上发表论文22篇（4篇入选ESI高被引论文），申请/授权国家发明专利11件。主持国家级/省级项目5项，作为骨干参与国家自然科学基金、横向项目10余项。主要研究方向为木质纤维新能源材料及应用、能源存储与转化、木质纤维碳基电催化剂（电解水、电催化氧化有机小分子）等。