西京学院青年教师鞠晓茜：如何通过设计超亲水/水下超疏气自支撑电催化剂来减轻电催化水分解过程中的气泡屏蔽效应，提高氢气生产效率

一、研究背景与意义

• 化石能源不可持续且导致大量CO₂排放，亟需发展清洁能源。

• 电解水制氢技术因绿色环保而备受关注，但其效率受限于气泡在电极表面的附着（气泡屏蔽效应），阻碍活性位点、影响传质。

• 设计具有超亲水/水下超疏气特性的电催化剂表面，可促进气泡快速脱离，提高催化效率。

二、超亲水/水下超疏气表面的机理

• 通过Young方程和Gibbs自由能分析气泡接触角与表面润湿性的关系。

• 超亲水表面（水接触角小）在水下表现为超疏气（气泡接触角大），有助于气泡迅速脱离。

三、自支撑电催化剂的优势

• 无需粘合剂，避免活性位点遮蔽和电子传输阻碍。

• 三维多孔结构提供大比表面积、丰富活性位点、高效传质与电荷传输。

• 可直接在导电基底（如泡沫镍、碳布等）上原位生长，结构稳定，适合工业化应用。

四、各类自支撑电催化剂研究进展

文章系统综述了以下几类材料体系，并汇总了其性能数据：

1. 过渡金属氧化物/氢氧化物

• 易于合成、成本低，但导电性差。

• 通过复合、掺杂、异质结构设计提升性能。

• 代表性工作：FeCoNi合金/LDH、Rh(OH)₃/NiTe等。

2. 过渡金属硫化物

• 导电性和催化活性优于氧化物。

• 常见材料：MoS₂、Ni₃S₂、FeNi₂S₄等，常与三维基底复合。

• 表面润湿性调控显著提升HER/OER性能。

3. 过渡金属氮化物

• 氮原子插入提升电子密度，导电性接近贵金属。

• 代表性材料：CuCoNi氮化物、NiMoN、Co₂NiN等。

4. 过渡金属磷化物

• 磷调控电子结构，优化水分子吸附与裂解。

• 常见体系：FeCoP、NiCoP、CoMnP等，表现优异的全水分解性能。

5. 金属有机框架

• 高比表面积、可调控孔结构和活性位点。

• 可直接作为催化剂或作为前驱体制备磷化物、氧化物等复合材料。

• 代表性工作：NiFeMo-MOF、NiCoP-NPCNT等。

五、面临的挑战

1. 化学失活：活性组分溶解、表面氧化层形成、晶体相变。

2. 物理失活：纳米颗粒团聚、气泡冲击导致结构疲劳与坍塌。

六、未来展望

1. 材料创新：开发新型非贵金属催化剂，结合二维材料与生物启发设计。

2. 界面工程优化：研究三相界面的动态行为与多尺度结构调控。

3. 系统集成：推进工业化应用，结合可再生能源系统，开发便携式电解装置。

4. 理论模拟：结合高通量计算与多尺度模拟指导材料设计。

5. 环境友好：发展绿色合成方法与催化剂回收技术。

6. 稳定性机理：深入研究实际工况下的失活机制。

7. 高电流密度性能验证：面向工业级电流密度（500–1000 mA·cm⁻²）开展研究。

第一作者：鞠晓茜，博士，西京学院副教授，材料与能源科学技术研究院 双碳技术研究所成员，主要开展矿物功能材料及固体废弃物的高附加值利用、新型多孔材料的结构设计及其气体捕集与转化利用等方面的应用基础研究。在国内外高水平期刊发表SCI论文30余篇。主持和参与陕西省重点研发计划、陕西省科技厅基础研究计划项目及企业委托项目等多项基金项目。

通讯作者：冯祥波，男，西安交通大学博士（后），现任西京学院教授、硕士生导师、西京学院材料与能源科学技术研究院副院长/直属党支部书记、双碳技术研究所所长、西京学院“减污降碳-协同增效”核心科研团队带头人。先后获批国家自然科学基金等项目14项，以第一/共一或通讯作者发表SCI论文50余篇，其中16篇论文入选ESI高被引论文（13篇同时入选ESI热点论文），荣获陕西省自然科学奖二等奖等科技奖励5项，先后入选2025年全球前2%顶尖科学家榜单《2025年度科学影响力排行榜》、2025年第一季度“Wiley威立中国高贡献作者”、陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍首席工程师、陕西省青年科技新星、陕西省高校青年杰出人才和西安杰出青年科技人才。

通讯作者：何炽，教授，博士，西安交通大学科学与工程专业博士生导师，英国皇家化学学会会士，国家级青年人才、王宽诚青年学者、西安交通大学青年拔尖人才A类、“科学家+工程师”项目首席科学家。现任西安交通大学能源环境工程研究所所长，并担任动力工程多相流国家重点实验室教授。已发表SCI论文300余篇，论文总被引次数超过16,000次，H指数73，连续入选全球高被引学者、全球前0.05%科学家等榜单。申请授权国家发明专利52项，其中7项已实现技术转化，并主编/参编专著教材5部。作为项目负责人主持包括国家自然科学基金优秀青年科学基金、多项国家自然科学基金面上项目以及国家重点研发计划课题在内的国家级重要科研项目。研究成果荣获环境保护科学技术一等奖、陕西省自然科学二等奖、陕西省科学技术二等奖、环保联合会科技进步特等奖、中国环境科学学会青年科学家奖、陕西省环境保护青年科技奖、挥发性有机物污染防治专委会首届青年学术创新奖等多项奖项。

编辑：李峙蓉   审核：张勇

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