本文由张海成、杨邦志、张娇、高鹏、向万夏、郭婷和徐海涛共同完成，研究团队来自陕西理工大学化学与环境科学学院及陕西省催化基础与应用重点实验室。该研究于2024年发表在《复合材料学报》（Acta Materiae Compositae Sinica）上，题为《钴掺杂铜基复合材料的制备及其电催化析氧性能》。

研究背景

随着全球对清洁能源需求的增加，氢能作为一种高效、清洁的能源备受关注。电解水制氢（绿氢）因其高纯度和可再生性成为研究热点。然而，电解水制氢的效率受限于阳极氧析出反应（OER）的高过电位。因此，开发高效、稳定且成本低廉的OER催化剂具有重要意义。铜基纳米材料因其优异的导电性和催化潜力而被广泛研究，但其催化活性和稳定性较差。本文旨在通过钴掺杂和复合结构设计，提升铜基材料的OER性能。

研究方法

研究采用室温条件下的水解刻蚀策略，以泡沫镍（NF）为载体，通过钴掺杂的金属有机框架材料（Co-MOF）在氯化铜（CuCl₂）溶液中水解刻蚀，制备了钴掺杂的碱式氯化铜/氯化亚铜（Co-CuCO）复合材料。具体步骤如下： 1. Co-MOF的制备：将泡沫镍浸入2-甲基咪唑和硝酸钴溶液中，室温下反应1小时，生成Co-MOF纳米片阵列。 2. 水解刻蚀：将Co-MOF浸入CuCl₂溶液中，分别刻蚀2、4、8、10和12小时，调控复合材料的形貌和结构。 3. 材料表征：通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对材料形貌、结构和元素价态进行表征。 4. 电催化性能测试：在三电极体系中，测试复合材料在1 M KOH溶液中的OER性能，包括线性扫描伏安法（LSV）、Tafel斜率和电化学阻抗谱（EIS）。

研究结果

1. 材料表征：XRD和TEM结果表明，Co-CuCO复合材料主要由Cu₂Cl(OH)₃和CuCl组成，钴掺杂优化了铜原子的电子环境，增强了催化活性。
2. 电催化性能：Co-CuCO-10 h/NF表现出最优的OER性能，仅需238 mV的过电位即可驱动100 mA/cm²的电流密度，Tafel斜率为302.62 mV/dec，表明其具有快速的电子转移速率。
3. 稳定性测试：在50小时的稳定性测试中，电流密度几乎没有下降，表明材料具有优异的稳定性。

研究意义

本研究通过简单的室温水解刻蚀策略，成功制备了高效、稳定的钴掺杂铜基复合材料，为铜基电催化材料的制备和OER性能提升提供了新思路。该材料在碱性条件下表现出优异的催化活性和稳定性，具有潜在的实际应用价值，尤其是在电解水制氢领域。

研究亮点

1. 新颖的制备方法：采用室温水解刻蚀策略，避免了传统高温水热法和煅烧处理，降低了能耗。
2. 优异的催化性能：钴掺杂优化了铜基材料的电子结构，显著提升了OER性能。
3. 高稳定性：材料在长时间测试中表现出优异的稳定性，适合实际应用。

结论

本研究通过钴掺杂和复合结构设计，成功提升了铜基材料的OER性能，为开发高效、稳定的电催化剂提供了新的研究方向。该材料在清洁能源领域具有广阔的应用前景，尤其是在电解水制氢技术中。