NiCo alloys anchored on N-doped carbon nanotubes as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting
本研究报道了通过水热法和煅烧法合成锚定在氮掺杂碳纳米管上的微花状 NiCo 合金纳米颗粒（NiCo@NCNTs），该材料作为高效且稳定的双功能电催化剂用于全解水，在 10 mA cm⁻² 的电流密度下实现了 1.70 V 的全解水电压。
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实现清洁能源未来的梦想往往取决于一种单一且简单的分子：氢。与燃烧时会释放碳的化石燃料不同，氢只产生水，这使其成为储存可再生能源的理想载体。制造这种氢最有效的方法是利用电能将水分子拆解，这一过程被称为电解。然而，大自然让这一过程变得困难。拆解水需要将电子推过液体，但反应移动缓慢，需要大量的额外能量才能启动。为了使这一过程高效且经济，科学家需要一种被称为催化剂的特殊材料。它们的作用就像加速器，通过降低能量壁垒，使反应快速且平稳地进行。多年来，最好的催化剂是由铂和� ル烯等稀有且昂贵的金属制成的，这限制了它们在实验室而非大型发电厂中的应用。研究人员面临的挑战是寻找一种既便宜、丰富，又能同时加速水分解反应两端的材料。
在最近的一项研究中，来自江苏科技大学和海军理工学院的研究人员开发出了一种解决这些障碍的新型催化剂。他们创造了一种由镍钴混合物组成的微小颗粒构成的材料，这些颗粒锚定在注入了氮的碳纳米管框架上。为了构建这种材料，团队首先在溶液中生长出一种前驱体材料，形成了一种看起来像由层状片组成的微观花朵的结构。随后，他们在受控环境中加热这种材料，这一过程将金属片转化为固态合金纳米颗粒，同时将周围的有机材料转化为碳管网络。在加热阶段加入的氮原子嵌入到碳结构中，创造了一个具有高导电性和化学活性的表面。
研究人员通过将这种新材料置于碱性水溶液中，并测量产生氢气和氧气所需的电压，来测试其性能如何。他们发现，含有两倍于钴的镍的特定混合物表现最好。在标准生产速率下，这种催化剂启动反应所需的额外能量极低，远低于纯镍或纯钴版本所需的能量，甚至低于作为参考点的昂贵商业基准。该材料还表现出了促进反应的卓越速度，科学家通过电流随电压上升的速度快慢来衡量这一特性。除了速度快之外，这种材料还表现得非常坚韧。在连续运行十八小时后，它仍保持性能且没有明显的退化，即使经过数千次循环测试，其结构依然完好无损。
这种材料的成功源于其各组分协同工作的独特方式。碳纳米管充当了电子的高速公路，将电荷高效地输送到发生水分解的活性位点。碳管内的氮原子有助于将金属颗粒固定在原位，防止它们在严苛的化学环境中发生团聚或腐蚀。此外，镍与钴的特定比例创造了一个经过完美调谐的电子环境，能够捕捉并拆解水分子。当研究人员使用这种材料作为正负电极构建完整的电解水装置时，系统驱动反应总共需要1.70伏的电压。这仅比理论上的最佳性能略高，但与使用贵金属相比，代表了成本效益的巨大提升。该装置产生的氢气和氧气比例完全符合化学预测，证实了反应是清洁且高效的。
这项工作表明，通过精心设计常见金属的结构并将其与导电碳网络结合，可以创造出一种强大、耐用且廉价的生成清洁燃料的工具。研究证实，高性能的关键不仅在于金属本身，还在于它们的排列和支撑方式。通过将合金纳米颗粒锚定在氮掺杂碳纳米管上，研究人员创造了一个能够抵抗持续运行磨损的稳定系统。这种方法为开发下一代电解槽提供了清晰的路径，使这项技术更接近于一个无需依赖稀缺资源即可大规模工业化生产氢气的未来。
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