南方科技大学ACB：空间限域焦耳热构建高性能复合电极，500 mA/cm²仅需1.65 V+稳定运行600小时

氢能因其高能量密度和清洁燃烧特性，被视为实现碳中和目标的关键能源载体。在多种制氢技术中，电化学水分解是生产绿色氢气最具前景的途径之一。其中，阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其能够使用非贵金属催化剂，并具备安全性高、系统灵活等优点而备受关注。然而，AEMWE的实际应用仍面临显著动力学挑战，尤其是在高电流密度下，催化剂结构降解、颗粒团聚以及气泡积聚等问题严重制约了其性能和耐久性。因此，开发兼具高本征活性、优异结构稳定性和高效传质能力的高性能非贵金属析氢反应（HER）电极，成为该领域的关键科学问题。

论文简介

2026年1月19日，南方科技大学曾林副教授团队在Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表题为“Multiscale engineering of Ni₄Mo/MoO₂ heterointerfaces on N-doped vertical graphene for efficient AEMWE hydrogen evolution”的研究论文。本研究提出了一种多尺度电极设计策略，其核心在于采用一种空间限域的焦耳加热方法：首先通过化学气相沉积在石墨毡上生长氮掺杂垂直石墨烯骨架，随后通过水热法锚定镍钼前驱体，最后在H₂/Ar气氛中施加快速焦耳加热。这一过程利用石墨烯骨架的导电性与限域效应，实现了前驱体的原位快速还原与合金化，从而在NVG网络中原位构筑了均匀分散、尺寸超细（<20 nm）的Ni₄Mo/MoO₂合金/氧化物异质界面。该策略协同优化了催化剂的本征活性、电极的电荷/传质效率以及机械稳定性。研究综合运用多种表征手段和DFT计算，证实了异质界面的形成及其对电子结构的调控作用，显著降低了水解离能垒并优化了氢吸附自由能。最终，该电极在AEMWE中展现出优异的析氢性能与超长稳定性，为设计高效、耐用的非贵金属电解水阴极提供了新的设计思路。

图文解读

图1：催化剂合成策略与物相结构表征

图1a展示了通过化学气相沉积（CVD）生长NVG骨架，再经水热及焦耳加热过程原位生成Ni₄Mo/MoO₂异质结构的合成路线。XRD图谱（图1b）证实了Ni₄Mo合金（PDF#03-1036）与MoO₂（PDF#32-0671）两相的成功形成，且Ni₄Mo/MoO₂@GF-NVG的衍射峰强度更高、峰形更尖锐，表明NVG骨架促进了前驱体的均匀锚定和晶相发育。拉曼光谱（图1c, d）在低波数区（~197, 276, 345 cm⁻¹）显示了MoO₂的特征峰，在高波数区则通过D峰与G峰的强度比（ID/IG）变化，反映了从VG到NVG引入氮掺杂后碳骨架缺陷度的增加，这有利于活性位点的暴露和电子传输。

图2：层次化电极的形貌与微观结构

SEM图像（图2a-c）显示，GF-NVG骨架由垂直排列的石墨烯片层构成，形成了平均层间距约75 nm的开放通道。负载Ni₄Mo/MoO₂后（图2b, c），纳米颗粒均匀分布在石墨烯骨架上。TEM和HRTEM（图2d-g）进一步揭示了超细纳米颗粒（平均尺寸~13.6 nm）在石墨烯上的锚定，以及清晰的Ni₄Mo（121晶面，d=0.208 nm）与MoO₂（211晶面，d=0.172 nm）之间的原子级异质界面。元素面分布图（图2h）证实了Ni、Mo、N、O元素在空间上的均匀分布，表明合金/氧化物异质结构已成功整合进氮掺杂石墨烯基质中。

图3：Ni与Mo的电子结构及配位环境分析

通过XPS（图3a, g）、XANES和EXAFS（图3b-f, h-l）系统分析了催化剂的表面化学态和局部配位环境。Ni 2p XPS结合能负移表明Ni中心电子密度增加。Ni K边EXAFS拟合（图3e）显示，Ni₄Mo/MoO₂@GF-NVG中Ni-Ni和Ni-Mo配位数（分别为4.1和5.9）显著低于块体Ni₄Mo（CN=12），证实了纳米尺度异质界面处存在配位不饱和的Ni、Mo位点。Mo 3d XPS和Mo K边分析表明催化剂中同时存在金属态Mo和Mo⁴⁺主导的MoO₂，且NVG骨架促进了更完全的还原和Mo-O框架的形成。

图4：碱性条件下的电催化析氢性能

在1 M KOH中，Ni₄Mo/MoO₂@GF-NVG电极表现出最优的HER活性（图4a），达到10 mA cm⁻²的过电位仅需19 mV，塔菲尔斜率为33 mV dec⁻¹（图4b），均优于对比样及商用Pt/C。电化学阻抗谱（EIS，图4c）显示其电荷转移电阻最小。双电层电容（Cdl，图4d）计算表明其电化学活性面积最大（2.1 mF cm⁻²）。恒电流稳定性测试（图4f, g）显示该电极在10 mA cm⁻²下可稳定运行超过100小时，性能衰减远小于无NVG结构的对比样。

图5：气泡演化动力学与传质分析

原位气泡观察表明（图5a-d），在平面结构的Ni₄Mo/MoO₂@GF电极上，气泡尺寸大（~164 μm）、滞留时间长（~25 s）、易积聚成气体层阻碍传质。而在具有垂直通道的Ni₄Mo/MoO₂@GF-NVG电极上，气泡尺寸显著减小（~54 μm）、脱离时间大幅缩短（~1.7 s），且分布更均匀。气泡粘附力测量（图5e）显示，NVG电极上的粘附力（22.6 μN）低于对比样（37.3 μN），结合其更优的亲水性（接触角72° vs 129°），共同促进了气泡的快速脱离和电解质的及时补充。

图6：碱性膜水电解池（AEMWE）全电池性能

将Ni₄Mo/MoO₂@GF-NVG作为阴极，与NiFe@NF阳极组装成AEMWE（图6a, b）。全电池测试（图6c）显示，在80°C下达到500 mA cm⁻²的电流密度仅需1.65 V的槽压，显著优于使用对比阴极的电解池（2.01 V）。在500 mA cm⁻²下连续运行600小时后（图6d），电压仅上升0.70%，展现了卓越的长期运行稳定性。

图7：DFT计算揭示异质界面的反应机理

DFT计算（图7a-f）从原子尺度揭示了Ni₄Mo/MoO₂异质界面提升HER活性的机理。态密度（DOS）分析表明，异质界面使Ni和Mo的d带中心上移并更接近费米能级，优化了与反应中间体的吸附强度。电荷差分（Δρ）和Bader电荷分析证实了电子从Ni₄Mo向MoO₂转移，形成了富电子的Mo位点和缺电子的Ni位点，这种电子梯度有利于分别在Mo位点进行质子吸附和在Ni位点加速水解离。计算表明，异质界面将水解离能垒从单独的MoO₂（1.27 eV）和Ni₄Mo（0.77 eV）显著降低至0.28 eV，并将氢吸附自由能（ΔGH*）优化至接近热中性的-0.05 eV，从而协同加速了整个HER过程。

总结展望

总之，本研究通过一种“空间限域焦耳加热”策略，成功将Ni₄Mo/MoO₂纳米异质结构限域生长于氮掺杂垂直石墨烯（NVG）骨架中，构建了多尺度集成的Ni₄Mo/MoO₂@GF-NVG阴极。该策略在微观尺度上形成了具有配位不饱和活性位点的合金/氧化物异质界面，DFT计算揭示了界面电子重分布有效降低了水解离能垒并优化了氢吸附自由能；在介观尺度上，垂直排列、富含缺陷的NVG网络不仅提供了高导电性和牢固的催化剂锚定，还构筑了开放的立体通道，极大促进了气泡快速脱离和电解质传质，缓解了高电流密度下的传质限制与机械应力。这种“异质界面工程”与“层次化电极结构”的协同作用，使该阴极在AEMWE中实现了低过电位（19 mV@10 mA cm⁻²）、高电流密度稳定性（500 mA cm⁻²@1.65 V稳定运行600 h）的卓越性能，其性能指标位于已报道的非贵金属阴极前列。该工作建立了“结构限域-界面调控-传质优化”相关联的多尺度电极设计范式，为开发适用于工业条件的高效、耐用、低成本碱性电解水制氢阴极提供了普适性设计原则。未来可探索将此多尺度工程策略拓展至其他催化剂体系（如析氧反应阳极），并进一步研究其在波动性可再生能源供电场景下的实际运行效能。

文献信息：Kejun Yan, Baoxin Wu, Yongbiao Mu, Jiahui Luo, Zhiqing Tang, Qing Zhang, Yuting Jiang, Xiongwei Zhong, Wanwisa Limphirat, Yuxuan Yang, Lei Wei, Lin Zeng. Multiscale engineering of Ni4Mo/MoO2 heterointerfaces on N-doped vertical graphene for efficient AEMWE hydrogen evolution. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2026, 126457, ISSN 0926-3373 深圳中科精研致力推广的超快高温焦耳热冲击技术，是材料科学领域的一项革命性突破。该技术基于焦耳定律，通过对材料施加瞬时大电流，可在毫秒至秒级时间内实现3000℃以上的超高温快速加热，具备无与伦比的升温速率与精准控温能力。

这项技术实现了对材料制备过程的极限调控，为新材料合成与性能优化开辟了新路径。相较于马弗炉、管式炉等传统加热方式，我们在效率与工艺可控性上实现了跨越式突破，助力科研与产业向更高效、更精准的方向迈进。

深圳中科精研——以尖端焦耳加热技术，推动材料未来。