第一作者： 邱金凤
通讯作者： 陈光良，李彤彤，黄骏
通讯单位：湖州师范学院，浙江理工大学，赣南师范大学
论文DOI：10.1002/adfm.202508158
海水占全球水资源的96.5%，可彻底解决淡水电解的原料限制。然而，海水电解制氢面临着氯离子腐蚀与竞争反应、催化剂活性与稳定性矛盾等挑战。针对上述挑战，本文提出了一种基于等离子体处理碳布（PCC）制备的钇氧化物掺杂立方Co3O4（Y2O3-Co3O4）催化剂的新方法。该催化剂在海水整体电解中展现出卓越性能。在最佳结晶温度（250 °C）下合成的Y2O3-Co3O4/PCC催化剂具有丰富的异质界面及等离子体氮掺杂，这些界面和掺杂优化了活性位点并增强了电子传递，从而在传输1000 mA cm-2（j1000）时，展现出卓越的HER活性和较低的过电位：301 mV（碱性）和346 mV（海水）。当该催化剂集成到AEMWE设备中时，可实现生成j1000时的低电池电压，分别为2.11 V（碱性）和2.47 V（碱化海水）。实验与DFT理论计算表明，掺杂诱导了电子重新分布：Y位点的电子去局域化稳定了Co3+物种，而Co位点的电子富集优化了H*吸附。此外，形成的Y2O3-Co3O4异质界面通过优化氧中间体吸附和强化金属-氧键，同时提升了OER活性。此外，异质结构设计进一步降低了晶格应变，并加速了海水裂解过程中的电荷转移动力学。该研究揭示了协同效应在提升Co3O4催化活性和稳定性方面的综合作用，为工程化高性能、非贵金属基氧化物软电极海水电解提供了实验和理论支撑。
氢气（H2）作为清洁能源被视为替代化石能源的最有前途的燃料之一，尤其是通过可再生能源驱动的水电解生产氢气的过程。当前，电解水裂解技术被认为是最可靠的氢气生产方法。 众所周知，整体水分解（OWS）涉及在阴极发生的析氢反应（HER）和在阳极发生的析氧反应（OER）。然而，多电子转移过程导致这些反应的动力学较慢，需要额外的能量消耗。此外，贵金属（Pt）及其氧化物（RuO2和IrO2）虽为HER和OER的标杆催化剂，但其面临稀缺性和稳定性挑战，为通过水电解（尤其海水电解制氢）发展氢气生产行业带来了重大障碍。需要指出的是海水中含有许多阴阳离子，容易使催化剂中毒失活。因此，开发出对海水电解具有高催化活性、低成本和优异稳定性的双功能非贵金属电催化剂，对于提升海水电解过程的能量效率至关重要。
(1) 等离子体刻蚀：增强碳纤维亲水性并形成微孔，提升催化剂负载密度与界面结合力；
(2) 稀土钇掺杂：优化Co3O4电子结构（↑Co2+/Co3+比），加速电荷传输，稳定活性位点；
(3) 异质界面协同：Y位点的电子去局域化稳定了Co3+（促OER），Co位点富集电子强化H*吸附（促HER）。
采用DBD等离子体改性和一步水热法成功制备Y2O3-Co3O4/PCC催化剂，通过先进测试仪器表征，证明了异质相共存且Y原子掺杂导致Co3O4晶格畸变，界面形成连续互连结构。
图1 等离子体处理碳纤维上Y2O3-Co3O4异质结催化剂的合成与结构表征
将Y2O3引入Co3O4基体中有效调节了电子结构，提高了Co2+/Co3+比例，并诱导了有益的晶格应变和原子掺杂，提升了催化活性和结构稳定性。
图2 等离子体处理碳纤维上Y2O3-Co3O4异质结催化剂的XPS和同步辐射分析
Y2O3-Co3O4催化剂同时作为阳极和阴极组装AEMWE器件，可实现j1000时的低电池电压，分别为2.11 V（碱性）和2.47 V（碱化海水），300 mA cm-2连续运行500小时（碱性）和350小时（碱化海水）。
图3 Y2O3-Co3O4/PCC催化剂在阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）中的实际应用性能
Y、N掺杂优化电子结构、异质界面加速电荷转移；Co位点的电子富集促进了H*吸附，提升了HER活性。多个异质结界面的存在促进了电荷转移速率并降低了反应能垒，多因素调控了催化性能。
图4 催化机理研究
本工作在空气介质阻挡放电等离子体改性的碳纤维上制备了一种高性能的Y2O3-Co3O4电催化剂，该催化剂具有以Co3O4纳米块为核心组分，以Y2O3为掺杂相的非均相结构，其显著降低了在碱性介质和碱化海水介质中高电流密度下HER和OER的反应势垒。获得的Y2O3-Co3O4/PCC电极表现出优异的电化学性能，在𝜂电流密度为1000时，过电位（1000）为301 mV，在碱性介质中具有显著的稳定性。将该催化剂组装到AEMWE中，在1 M KOH和1 M KOH+海水中传递j1000的电池电压仅为2.11 V和2.47 V，在电催化领域具有很强的竞争力。结构表征表明，将Y2O3掺入到Co3O4中有效地调节了电子结构，提高了Co2+/Co3+比率，并诱导了有益的晶格应变，从而提高了催化活性和结构稳定性。密度泛函理论（DFT）计算表明，Y位的电子去局域化稳定了Co3+的氧化态，从而优化了OER活性；同时，Co位的电子积累促进了H*的吸附，提高了HER活性。总之，这项研究不仅为开发用于海水电解制氢的软碳纤维基电催化剂提供了新思路，也深化了对稀土元素掺杂、异质结构工程和等离子体辅助表面改性等电催化剂优化机制的理解。
Jinfeng Qiu, Guangliang Chen*, Yingchun Guo, Tongtong Li*, Peisong Tang, Bin He, Xianhui Zhang, Jun Huang*, Activating the Microsized Cubic Co3O4 with Doping Y2O3 Phase Inlaid on the Plasma-Treated Soft Carbon Fiber for a Robust Electrocatalytic Alkalized-Seawater Splitting, Advanced Functional Materials, 2025, 2508158.
https://doi.org/10.1002/adfm.202508158
陈光良，湖州师范学院工学院，教授，硕士生导师，湖州D类人才，近五年主持国家自然科学基金面上项目2项，浙江省自然科学基金重点项目1项，湖州市重点研发项目1项；发表SCI论文40多篇，其中SCI一区论文23篇，高被引1篇。
李彤彤，浙江理工大学材料科学与工程学院，讲师，硕士生导师。主要从事理论计算与能源催化方面的研究，曾以第一作者或通讯作者的身份先后在Adv. Mater., Carbon Energy, Adv. Funct. Mater., Appl. Catal B-Environ., Energy Storage Materials等国际知名刊物发表SCI论文20余篇，其中五篇入选ESI高被引。
黄骏，赣南师范大学物理与电子信息学院，教授，硕士生导师，江西省主要学科学术和技术带头人-领军人才，江西省杰出青年基金获得者，江西省科协和省委组织部百人远航工程资助对象。主持国家自然科学基金3项、中国博士后科学基金1项、江西省自然科学基金3项。在国内外SCI学术期刊发表论文60余篇，包括Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy等，其中SCI一区34篇，ESI高被引2篇。研究成果曾获2020年江西省自然科学奖三等奖1项。
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