研究背景电催化分解水是通往“绿氢”经济的核心桥梁然而阳极析氧反应因其迟缓的四电子转移动力学成为制约系统能效的“卡脖子”环节。商业贵金属催化剂虽活性卓越但高昂成本与稀缺储量倒逼学界寻找替代方案。过渡金属碳化物因其类铂电子结构备受瞩目却普遍存在本征析氧活性平庸的短板更棘手的是传统高温合成犹如“慢火炖煮”易导致纳米颗粒过度烧结长大——即Ostwald熟化——造成活性面积急剧萎缩。因此如何开发一种既能精准控相、又能维持高分散度的快速合成策略是该领域亟待突破的科学难题。论文概要2026年04月21日内蒙古科技大学关丽丽副教授团队在《Applied Catalysis A: General》期刊发表题为“Construction of Co₆Mo₆C₂/Mo₂C/Co/CC Heterostructure via Ultra-Fast Joule Heating for Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究论文。本研究提出电沉积耦合超快焦耳热新策略在碳布上快速构筑了Co₆Mo₆C₂/Mo₂C/Co/CC纳米异质结一体化电极。通过60秒焦耳热解ZIF-67获得高分散钴骨架再经180秒电沉积与二次焦耳热处理原位生成多元异质界面。该技术利用碳布自发热实现秒级升降温有效规避了传统煅烧导致的颗粒团聚。所得催化剂在碱性介质中仅需256 mV过电位即可驱动10 mA cm⁻²性能显著优于单组分对比样为高性能异质结构的超快合成开辟了新路径。图文解析图1催化剂合成流程示意图图1展示了电极的两步法构筑工艺先在碳布表面室温生长ZIF-67纳米片阵列再利用焦耳热装置使其在60秒内瞬间升温至800 °C热解形成多孔钴骨架接着电沉积引入钼源并再次经60秒焦耳热至850 °C触发钴、钼与碳布间的碳热还原反应。此流程的核心优势在于利用碳布作为自发热载体将传统数小时的合成周期压缩至分钟级且全程无需外加粘结剂。图2不同合成阶段样品的扫描电子显微镜图像SEM图像揭示了材料微观形貌的演变。图2a显示碳纤维表面均匀覆盖ZIF-67纳米片提供了丰富的前驱体界面。图2b中经焦耳热处理后ZIF-67转化为多孔钴骨架与“星形”交联结构其高比表面积特征为后续负载提供了理想平台。图2c中最终产物表面均匀锚定大量细小纳米颗粒形成了理想的异质结构组装。此图通过与管式炉处理样品的对比直接点明了焦耳热技术在抑制颗粒团聚、维持结构分散性方面的独特优势。图3Co₆Mo₆C₂/Mo₂C/Co/CC异质结的高分辨透射电镜及元素分布图HRTEM图像从原子尺度确证了异质结构的成功构建。图3a-c中清晰可辨的晶格条纹分别归属于金属Co的(111)面、Co₆Mo₆C₂的(400)面以及Mo₂C的(100)面三者紧密交错形成了丰富的纳米级异质界面。图3d的元素面分布图进一步显示Co、Mo、C元素在颗粒中均匀共存。此图从微观结构上解释了性能提升的根源——多相界面不仅增加了活性位点数量更利于电子结构的协同调控。图4焦耳热过程中的温度监测与变化曲线红外热像仪监测数据量化了焦耳热技术的超快非平衡特性。图4a显示碳布表面高温区温度场分布均匀保障了样品合成的均一性。图4b的温度-时间曲线则揭示其升降温速率高达450 °C/s与170 °C/s高温持续时间极短。此图阐明了催化剂得以维持高分散性的物理本质极速热冲击从根本上限制了原子长程扩散从而抑制了传统加热中不可避免的颗粒熟化与团聚。图5催化剂的X射线衍射图谱与拉曼光谱XRD与Raman光谱联合解析了催化剂的物相与碳基质状态。图5a的XRD谱图确证了产物中Co、Mo₂C及Co₆Mo₆C₂三相共存与电镜结果相互印证。图5b的拉曼光谱中焦耳热所得异质结的D峰与G峰强度比最高表明其碳基质中引入了更多缺陷。此图揭示了两层信息其一焦耳热更利于高含碳量碳化物相的生成其二超快热冲击制造的丰富缺陷可作为额外活性位点协同提升电催化性能。图6催化剂在1 M KOH中的析氧反应电化学性能测试该图组系统评估了催化剂的析氧活性与稳定性。图6a与6b显示Co₆Mo₆C₂/Mo₂C/Co/CC仅需256 mV过电位即达10 mA cm⁻²性能全面优于各单组分及传统热处理样品。图6c的Tafel斜率最小表明其反应动力学最优图6d的电化学阻抗谱中电荷转移电阻最低证实异质界面促进了电子传输图6e中其双电层电容值最大对应最高的电化学活性面积图6f则展示了其持续运行20小时后仍保持89.2%电流密度的良好稳定性。此图多维度地证实了该异质结构在活性、动力学及耐久性方面的综合优势。图7Co 2p与Mo 3d的高分辨X射线光电子能谱XPS精细谱揭示了异质界面处的电子转移机制。图7a显示相较于Co/CC异质结中Co⁰峰结合能升高0.2 eV表明Co失去电子图7b中相较于Mo₂C/CC异质结中Mo-C键结合能降低0.2 eV表明Mo富集电子。此图清晰地描绘了“Co→Mo”的定向电荷转移图像阐明了性能增强的核心内在机理异质界面诱导的电子重排优化了反应中间体的吸脱附行为从而大幅提升了催化活性。总结展望总之本研究通过电沉积耦合超快焦耳热策略在碳布上快速构筑了自支撑Co₆Mo₆C₂/Mo₂C/Co/CC多元异质结电极。其机制在于焦耳热冲击有效抑制了颗粒团聚维持了高比表面积与丰富缺陷同时构建的紧密异质界面引发了从Co向Mo的定向电子转移优化了催化位点的电子结构。得益于此该催化剂在碱性析氧反应中展现出极低过电位、快速动力学与优异稳定性。本工作不仅为高性能非贵金属电催化剂提供了一种高效、便捷的合成新范式也凸显了焦耳热技术在精准构筑多功能纳米异质结构中的广阔应用前景。未来可探索将该方法拓展至其他多元过渡金属体系并推动其在全解水等综合能源器件中的应用。
