河南科技大学魏世忠团队联合扬州大学庞欢团队合作《AFM》综述：面向工业大电流产氢的非贵金属基催化电极

作为清洁、可持续能源，氢能有望替代传统化石燃料。氢能体系包含制氢、储氢和用氢三个环节，其中作为氢能产业链首要环节的制氢技术，直接决定着整个氢能产业的发展水平。开发高效、稳定及低成本的双功能电解水催化剂是大规模制备高纯度的绿氢的关键。现阶段，贵金属基材料仍是电解水装置的核心组分，典型代表包括Pt基析氢催化剂及Ir/Ru基析氧催化剂，然而其资源稀缺性与高昂的经济成本严重制约了规模化应用。此外，早期研发的催化剂体系存在工况适应性不足的问题：多数材料仅在低电流密度工况（通常低于200 mA cm⁻²）和短周期（通常不足100小时）运行中保持催化活性，这与工业级电解水装置对高稳定性、高电流密度耐受性的技术要求存在显著差距。因此，开发能在大电流密度下长期稳定的新型电催化材料已成为该领域的重要攻关方向。值得关注的是，近年来，基于非贵金属基自支撑电极（镍、铁、铜、钴、钛、钼及其合金体系）在大电流密度析氢中的研究已取得系列突破性成果。

基于此，庞欢教授、魏世忠教授、张玢博士和石小倩系统梳理了近年来大电流密度工况下非贵金属基（镍、铁、铜、钴、钛、钼及其合金体系）自支撑电极的研究进展，通过结构分类与机理分析构建了系统的研究框架。基于电催化反应动力学原理，提出实现高效、耐久催化电极的五大核心设计准则：高的本征活性、丰富的活性位点、快的电子传导能力、快的物质传输特性及强的机械稳定性。还针对镍、铁、铜、钴、钛、钼及其合金基体自支撑电极重点探讨了杂原子掺杂、形貌调控、界面构筑、相工程和应变调控等改性技术在提升电极催化活性与耐久性方面的协同作用机制。最后，讨论了在大电流密度下设计高效稳定电极的挑战和前景，为绿色制氢的发展提供新的思路。

图1 不同非贵金属基自支撑催化电极的设计原则及改性策略。

采用异质原子掺杂及界面优化等策略可优化氢吸附自由能，提高催化剂本征活性；构建多级纳米结构及杂原子掺杂等策略可提高催化剂的活性位密度。降低金属基体-催化剂界面肖特基势垒，建立金属基体-催化剂间的金属键接及构筑结构功能一体化电极可提升电子传导效率；快速的物质传输可通过设计超亲水/超疏气表面，促进反应物扩散与气泡脱离，缓解浓差极化；通过原位生长提高金属基体-催化剂之间的结合力，调控催化相表面粗糙度降低气泡粘附力，两者协同增强电极机械稳定性。

图2 高电流密度下高效、稳定电极的五大核心设计准则

杂原子掺杂，包括金属和非金属原子掺杂，已被广泛用于提高HER性能。一方面，金属原子掺杂优化了催化剂的能带结构、局域电子密度和电子结构，从而提高了电子转移能力，加速了水的解离，优化了ΔGH*，促进了吸附态H*中间体的转化。另一方面，具有高电负性的非金属杂原子(如P和N)可以作为金属配位原子调节催化剂的电子结构，从而促进水的吸附和解离，优化氢吸附能，降低HER能垒。

图3 异质原子掺杂调控策略指导电催化剂设计

合理的界面工程可以增加催化活性位点，优化能带和电子结构，从而提高水分解效率。具体来说，具有丰富界面的异质结构电催化剂可以通过多组分的协同效应平衡反应物中间体吸附和脱附的能力，增强HER动力学。还可通过界面修饰和界面微环境调控提高催化剂的HER性能。

图4界面调控策略指导电催化剂设计

形貌工程是通过调控催化剂多级结构（如珊瑚状层级互连、垂直阵列、三维多孔框架等）实现协同优化。构建高比表面积纳米结构（0D-3D）显著增加活性位点密度；构筑连续导电网络提升电子传导效率；设计贯通孔道与超浸润表面促进反应物扩散/气泡脱附；以及利用具有特殊形貌和孔结构的基体为催化剂负载提供理想载体，实现活性组分空间分布与传质通道的精准调控，并通过催化剂的原位生长增强界面结合力，提升电极的机械稳定性。

图5形貌工程调控策略指导电催化剂设计

此外，从提高本征活性和活性位密度的角度出发，相工程是提升高电流密度下HER催化活性的另一种有效策略。相工程涉及不同晶体结构之间的转变或从晶态到非晶态的转变。同一物质不同晶体结构的催化活性不同，所以通过调控晶体结构的转变会显著影响催化剂的本征活性。此外，一些非晶相表现出比其对应的结晶相更高的催化活性，这是因为非晶相可以通过暴露更多的空位缺陷和不饱和配位键提高催化剂的活性位密度。

图6 相工程调控策略指导电催化剂设计

除了杂原子掺杂、形貌工程和相工程之外，应变工程已经成为一种优化催化剂的电子结构的新型策略。通过应变工程（拉伸或压缩）不仅可以调节催化相晶格参数，还可以调节金属-配体键长，从而优化电子结构，改善催化剂的反应动力学。

该综述系统阐述了高电流密度下非贵金属自支撑电极的研究进展，重点讨论了五大设计准则（本征活性、活性位点密度、电子传输、传质效率、机械稳定性）及异质掺杂、形貌调控等优化策略。并总结了常见非贵金属基体的应用，为非贵金属基体电极基体的选择提供了参考。同时并提出了电解水析氢在未来面临的挑战。尽管电极性能在近年的研究中有显著提升，但仍面临三大挑战：1)测试标准工业化：需建立符合工业工况的评估体系（如6M KOH、65-80℃高温、两电极系统、大尺寸电极及Raney Ni对比基准）；2）深化反应机理：结合原位表征技术（如EIS、XPS、Raman）和动态观测手段解析高电流密度下电子传递-传质-气泡脱附耦合机制；3）经济性：通过材料筛选、工艺简化及寿命提升（>5年）降低综合成本。突破上述瓶颈将加速电解水制氢技术的规模化应用。

图7各种非贵金属基体参数的比较

题目：Research Progress of Non-Noble Metal-Based Self-Supporting Electrode for Hydrogen Evolution Reaction at High Current Density

作者：Xiaoqian Shi, Wenjing Gu, Bin Zhang*, Yang Zhao, Anran Zhang, Wentao Xiao, Shizhong Wei*, and Huan Pang*

期刊：Advanced Functional Materials

DOI：10.1001/adfm.202423760

 石小倩，河南科技大学硕士研究生。师从魏世忠教授，研究兴趣主要集中在氢电催化材料的机理探索和结构设计上。

张玢，河南科技大学讲师。2021年获得清华大学工程博士学位。研究方向催化材料在储能领域的应用研究。2022年度河南省“中原英才”博士后创新人才，河南省优秀创新创业博士后，主持国家级项目、省部级项目及企业横向课题等6项，申请专利6项，已授权4项。

魏世忠，二级教授，博士生导师，郑州轻工业大学校长，全国杰出专业技术人才、“百千万人才工程”国家级人选、国家有突出贡献中青年专家。以第一完成人获国家科学技术进步二等奖2项、省部级一等奖6项，获何梁何利基金“科学与技术创新奖”、全国创新争先奖、河南省科学技术杰出贡献奖等。研究方向主要集中在高性能金属耐磨材料的延寿与调控技术，整体材料及复合材料成分组织与性能协同机制，新型难熔合金等。

 庞欢，扬州大学化学化工学院院长、二级教授，博士生导师。教育部青年长江学者、新世纪优秀人才；江苏省杰出青年；英国皇家化学学会会士；全球高被引学者。兼任《国家科学评论》学科编辑组成员；Nano Research、Rare Metals等期刊编委。在纳米MOF合成、应用领域总发表论文被他人正面引用>35000次，H>100。相关研究获教育部《高等学校科学研究优秀成果奖》一等奖、二等奖。近五年以通讯作者在 《国家科学评论》、Adv. Mater.、Nature Comm. 、JACS、Angew. 等高质量期刊发表100余篇论文。主持或完成国家自然科学基金4项（重点1项），省级优秀教学团队带头人、主持省教改项目2项。主编/著书籍3本（省重点教材2部）。全国大学生挑战杯获奖指导老师。

1.应聘条件：

(1)纳米化学、配位化学、电化学和生物材料等研究方向，近2年取得或即将取得博士学位；

(2)有较好的研究基础和英语基础，原则上需以第一作者在SCI期刊上发表研究论文2篇或IF〉5.0或一区研究论文1篇；

(3)具有独立科研能力和严谨的学风，富有高度的责任心和团队协作精神。

(4)品学兼优，身心健康。

(1)年薪25-30万元(税前)在站期间按照有关规定参加社会保险，缴存住房公积金、新房补帖；

(2)可按规定租住学校教职工宿舍，也可领取住房补助；

(3)提供必要的科研条件，博士后可作为负责人申请国家自然科学基金、中国博士后科学基金及江苏省博士后科研资助等项目；

(4)在站期间，根据研究项目需要，可以申请到国(境)外参加国际学术会议或进行短期学术交流、科研合作；

(5)可申报研究系列专业技术职务；

(6)优秀推荐申请江苏省卓越博士后计划项目，30万(叠加工资)。

(1)在站期间至少在学院及以上范围公开进行2次学术报告；

(2)获国家或江苏省博士后科研资助项目1项，或作为主要研究人员参与合作导师主持的国家级科研项目1项；

(3)在SCI来源期刊上发表2篇学术论文或1篇一区以上学术论文(以Online为准)，论文需以博士后为第一作者，扬州大学为第一署名单位。

庞欢课题组介绍：https://www.x-mol.com/groups/panghuan