氫能是實現(xiàn)碳中和目標的重要清潔能源載體，電催化水分解中的析氫反應是制備氫氣的關鍵步驟，而高效穩(wěn)定的催化劑材料是電催化水分解的核心。傳統(tǒng)基于貴金屬的催化劑盡管活性高，但貴金屬成本高昂、資源有限，限制了電解水綠氫技術的推廣。近期，清華大學環(huán)境學院鄧兵課題組與國內(nèi)外團隊合作，基于閃速焦耳熱技術實現(xiàn)了一系列高效、穩(wěn)定、低貴金屬載量的催化劑材料制備，為綠氫技術的發(fā)展和應用提供了支撐。

首先，研究團隊提出了碳納米管限域催化策略，著力解決電催化產(chǎn)氫催化劑使用穩(wěn)定性問題。研究采用瞬時閃速焦耳加熱技術，在毫秒級時間內(nèi)將前驅(qū)體材料轉(zhuǎn)化為納米結構催化劑。鉑原子被單獨錨定在碳納米管包裹的碳化鎢晶體載體上，形成類似鏈甲結構，不僅提升了催化活性，還顯著增強了耐久性。該催化劑在酸性條件下僅需45.2毫伏的過電位即可達到每平方厘米10毫安的電流密度，且在連續(xù)運行超過500小時后依然表現(xiàn)穩(wěn)定。機理分析表明，鉑與碳化鎢之間的強相互作用能夠優(yōu)化電子分布，并改善氫氣的吸附與釋放行為。相關研究成果以“碳納米管限域單位點鉑/碳化鎢用于高效穩(wěn)定電催化”（Confined Flash Pt1/WCx inside Carbon Nanotubes for Efficient and Durable Electrocatalysis）為題，于2025年2月26日作為封面論文發(fā)表于《納米快報》（Nano Letters）。

圖1.碳納米管限域鉑-碳化鎢材料用于高效穩(wěn)定電催化

第二，研究團隊開發(fā)了無定形化和組分優(yōu)化方法，制備了性能超過商用鉑碳材料的三元金屬磷化物催化劑。非晶材料因其豐富的活性位點和獨特的電子結構，在清潔能源催化方面表現(xiàn)出巨大的潛力。然而，這類材料往往難以快速、可控地合成。研究團隊通過超快加熱與冷卻，使金屬前驅(qū)體在極短時間內(nèi)冷凝為非晶納米粒子，不僅突破了合成難題，也實現(xiàn)了成分的精準調(diào)控。優(yōu)化后的鉑-鎳-磷（PtNiP）三元催化劑展現(xiàn)出近乎理想的氫吸附自由能（0.02eV），在酸性電解質(zhì)中僅需14毫伏過電位即可驅(qū)動析氫反應，催化活性超越了商用貴金屬鉑催化劑，質(zhì)量活性比商用Pt/C催化劑高出五倍。生命周期評估和技術經(jīng)濟分析表明，閃速焦耳熱方法相比傳統(tǒng)工藝在能耗、碳排和成本方面均具顯著優(yōu)勢。相關研究成果以“三元金屬磷化物無定形化和組分優(yōu)化耦合實現(xiàn)高效電催化綠氫制備”（Coupling Amorphization and Compositional Optimization of Ternary Metal Phosphides toward High-Performance Electrocatalytic Hydrogen Production）為題，于2025年5月5日發(fā)表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。

圖2.三元金屬磷化物無定形化和組分優(yōu)化耦合實現(xiàn)高效電催化綠氫制備

第三，研究團隊實現(xiàn)了亞納米線過渡金屬碳化物的精準合成，顯著降低了高效催化劑制備成本。通過超快加熱和冷卻速率，在毫秒級時間內(nèi)制備出亞納米碳化鉬（MoCx）線。利用單壁碳納米管（SWNTs）作為導熱模板，通過封裝多鉬酸鹽簇陣列的碳熱還原反應，無需溶劑、催化劑或特殊氣體，即可合成一維碳化鉬納米線。碳化物-納米管復合材料具有富電子表面，可穩(wěn)定固定鐵酞菁分子，形成復合催化劑。該催化劑在堿性氧還原反應中表現(xiàn)出卓越性能，半波電位高達0.91V。團隊開發(fā)了單位點鉑負載碳化鉬鏈甲催化劑，在酸性析氫反應中展現(xiàn)出超高催化效率，質(zhì)量活性達4.84 A mgPt?1，塔菲爾斜率低至37.4 mV dec?1，且穩(wěn)定性超過350小時。相關研究成果以“碳化物納米線和單壁碳納米管強界面相互作用用于高效催化”（Strong Interactions Between Flash Sub-Nanometer Carbide Nanowires and Single-Walled Carbon Nanotubes for Catalysis）為題，于2025年8月3日發(fā)表于《美國化學會·納米》（ACS Nano）。

圖3.碳化物納米線和單壁碳納米管強界面相互作用實現(xiàn)高效催化

鄧兵為以上論文的通訊作者，論文主要合作者（共同通訊/第一作者）包括山西大學副教授朱勝、山西大學教授韓高義、南方科技大學副教授吳振禹、美國萊斯大學教授詹姆斯·圖爾（James M. Tour）、美國萊斯大學副教授汪淏田（Haotian Wang）、美國科爾班大學教授趙玉峰（Yufeng Zhao）等。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、清華大學自主科研項目等的資助。