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文 章 信 息
零碳能源转换：针状Ru/CoP催化剂上双电场效应增强肼辅助制氢
第一作者：季康
通讯作者：严乙铭*，杨志宇*，谢江舟*
单位：北京化工大学，新南威尔士大学，
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研 究 背 景
发展先进电能源技术对减轻环境污染、降低对化石燃料的依赖至关重要。氢气作为有前景的清洁能源载体近年来受到关注。阴离子交换膜（AEM）水电解是一种清洁且高效的制氢方法，但阳极析氧反应（OER）所需的高热力学电位会显著增加能源消耗，降低能源利用效率。利用热力学电位更低的肼氧化反应（HzOR）替代 OER，也就是利用 HzOR 辅助析氢反应（HER）制氢，从电化学和经济学角度都更具有优势。然而，HzOR 辅助制氢仍面临诸多挑战，一方面，HER 过程需足够活性氢物种（*H），尤其是在碱性条件下，HER中*H形成依赖H2O传输与解离，现有的研究多聚焦于H2O解离，忽视了H2O传输对于HER活性的影响。另一方面，HzOR 则要求肼（N2H4）在活性位点有效吸附并快速脱氢，HzOR 过程中需要创造更多缺电子位点来促进 N2H4及其相关中间体吸附。针对上述挑战，如何设计高效的 HER 和 HzOR 双功能电催化剂是该领域研究的切入点。
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文 章 简 介
近日，来自北京化工大学的严乙铭教授课题组，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Modeling Carbon-Free Energy Conversion Systems: Enhanced Hydrazine-Assisted Hydrogen Production with Dual-Electric-Field Effect on Needle-like Ru/CoP Catalysts”的研究文章。该工作通过构建针状 Ru/CoP引入了局部电场和内建电场，实现了高HER和HzOR双功能活性。针状结构诱导的局部电场有效增加了K+·H2O，削弱了氢键网络刚性，增强了水的传输，且 Ru 的引入有利于水的解离，促进了*H的形成；另一方面，Ru和CoP之间功函数差异产生的内建电场促进了缺电子Ru位点的形成，增强了N2H4及其中间体在Ru位点上的吸附。得益于双电场机制，该电催化剂展现出优异的肼辅助制氢性能，仅需0.64 V就能达到500 mA/cm2 的电流密度。此外，基于该催化剂，研究者组装了直接肼燃料电池和肼-硝酸盐电池，该电池组模型可以实现零碳条件下的电化学能源转换，为助力双碳目标，提供了新颖的电能源技术方案。
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本 文 要 点
要点一：理论预测双电场增强机制
图1. (a) 双电场增强HER和HzOR的机制示意图. (b)空间电场分布的有限元模拟. (c) 有无电场作用下CoP和Ru/CoP对水的吸附和解离能. (d) 有无K+存在时Ru/CoP对水的吸附和解离能，插图为有K+时Ru/CoP对水的吸附和解离模型. (e) Ru和CoP的功函数. (f) Ru/CoP界面处沿z方向的平面平均电荷密度. (g) Ru/CoP和CoP在HzOR中的能垒，插图为Ru/CoP在肼氧化反应中的吸附模型。
有限元模拟结果表明针状结构会诱导形成局部电场，使得K+聚集，这将有利于削弱氢键网络的刚度，促进水的传输。密度泛函理论（DFT）计算表明局部电场以及K+的存在可以降低水解离的势垒，促进HER活性。此外，DFT结果显示Ru和CoP的功函数差异可以形成内建电场，形成缺电子的Ru位点，进而促进N2H4的吸附以及后续的脱氢。
要点二：针状Ru/CoP的合成
图2. (a) Ru/CoP 的SEM图像. (b) Ru/CoP 的TEM图像（插图为局部放大图）. (c) Ru/CoP 的HRTEM图像. (d) 区域 1 的快速傅里叶变换（FFT）图像. (e) 区域 2 的滤波HRTEM图像.
SEM以及HRTEM表明形成了针状的结构，并且Ru和CoP之间存在明显的界面，这个结果说明样品成功制备。
要点三：电催化HER和HzOR的性能测试
图3. (a) CoP, Ru/CoP 和 Ru/CoP-B 的LSV曲线. (b) 电流密度为 100 mA/cm2 时的过电位. (c) CoP, Ru/CoP 和 Ru/CoP-B 的TOF值. (d) Ru/CoP 和 CoP 在 1.0 M KOH 和 0.3 M N2H4溶液中的 LSV 曲线。(e) Ru/CoP 的OER和HzOR性能对比。(f) Ru/CoP, Ru/CoP 和 Ru/CoP-B 在肼辅助产氢体系（OHzS）中的 LSV 曲线 （未进行 iR 补偿）. (g) Ru/CoP 在 OHzS 体系中的稳定性。
电催化性能测试结果表明，Ru/CoP的HER和HzOR活性要远高于针状CoP以及块状的Ru/CoP (Ru/CoP-B)。并且在肼辅助电解水产氢系统中，只需要0.604 V的电压就可以达到500 mA/cm2的电流密度，并表现出200 h的稳定性。
要点四：双电场增强HER和HzOR双功能机制研究
图4. (a) Ru/CoP 在 1.0 M KOH 溶液中的原位拉曼光谱. (b) Ru/CoP 在不同电位下的不同水含量百分比. (c) Ru/CoP, CoP 和 Ru/CoP-B 在不同电位下 K+·H2O的百分比. (d) Ru/CoP 和 Ru/CoP-B 在不同电位下的拉曼峰位置曲线. (e) 表示 Ru/CoP, CoP 和 Ru/CoP-B 在添加 DMSO 前后不同电流密度下的电位差. (f) Ru/CoP, CoP 和 Ru/CoP-B 在不同过电位下的 Cφ 值. (g) Ru/CoP, CoP 和 Ru/CoP-B 在注入 N2H4前后的 OCP 值. (h) Ru/CoP 的 KPFM 图像。
原位拉曼测试结果说明，针状的结构可以诱导形成局部电场。通过对H2O的拉曼光谱研究发现，在局部电场的作用下可以有效的聚集K+，削弱氢键网络的刚性，从而促进水的传输，有利于*H的形成。而内建电场的存在促进N2H4的吸附以及后续中间体的脱氢，从而提高HzOR的活性。
要点五：实际应用拓展
图5. (a) OWS和OHzS-sewage系统的TEA分析. (b)直接肼燃料电池（DHzFC）的放电极化曲线和功率密度图. (c)硝酸根还原反应(NO3RR)和HzOR的LSV曲线. (d) Ru/CoP的空间电场分布(左)和温度分布(右).(e) Ru/CoP在 808 nm激光照射下的温度变化情况. (f)不同照射时间下，不同电流密度对应的过电位。
图6. 无碳排放能源系统的(a)示意图和(b)实物图.
制备的电催化剂表现出明显的光热效应，可以在日光照射下进一步提高电催化活性。经济技术学分析（TEA）结果表明，利用含肼废水辅助电催化产氢具有较高的经济效益。基于该催化剂，构筑了直接肼燃料电池以及肼-硝酸根电池，实现了自供电的电催化肼辅助产氢。该电池模型可以实现零碳条件下的的能源转换，为节能减排，助力双碳目标，提供了先进的电能源技术解决方案。
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文 章 链 接
Modeling Carbon-Free Energy Conversion Systems: Enhanced Hydrazine-Assisted Hydrogen Production with Dual-Electric-Field Effect on Needle-like Ru/CoP Catalysts
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2025/ee/d4ee05691d
DOI: 10.1039/d4ee05691d
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通 讯 作 者 简 介
严乙铭，北京化工大学教授、博导，国家高层次人才。主要从事新能源材料与技术研究，包括电化学催化、电化学储能、电化学水处理等。发表SCI论文150余篇，授权专利30余项。获北京市科学技术一等奖，国家自然科学二等奖。
杨志宇，北京化工大学副教授。北京理工大学博士学位，清华大学博士后。主要研究方向为电化学领域。目前的研究方向是 (i)电化学储能，(ii)电催化CO2还原，电催化甲酸氧化和电催化氮还原 (iii)电容除盐。已发表一作、通讯SCI论文80余篇，申请专利7项，授权5项。
谢江舟，新南威尔士大学博士后。北京理工大学本科和硕士，新南威尔士大学博士。主要从事电化学水处理和电化学催化相关研究。以第一作者，共同通讯作者身份发表SCI论文50余篇。
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