电解水制氢是开发绿色氢能的最佳途径，而电解水催化剂的使用是解决制约产业发展的制氢能耗问题的有效手段。本文提出了通过形貌控制技术制备双功能电解水纳米复合催化剂的新策略。研究结果表明，纳米复合催化剂表现出了良好的双功能电解水催化活性，性能处于国内国际领先地位。
　　一、形貌控制技术的基本原理
　　纳米技术的迅猛发展极大地促进了催化剂产品的研发进度。纳米催化剂具有比表面积大、活性位点丰富、催化活性高等特点，在有机、无机催化领域都有着广泛的应用。形貌控制作为调控纳米材料性质的有效手段，对提高催化剂的活性和选择性具有重要意义。
　　（一）纳米材料形貌控制研究
　　该项目研究团队通过详细分析纳米晶体的生长机制，揭示了溶剂、温度、浓度和添加剂对纳米晶体形貌的影响。纳米晶体的形态受多种因素影响，主要包括溶剂的选择、反应温度、反应时间、浓度以及前驱体的类型。研究团队通过控制这些参数，成功制备了多种具有特定形貌的纳米晶体，例如纳米管阵列、纳米花阵列、介孔纳米颗粒。
　　（二）形貌控制与性能的高效复合
　　电解水催化剂分为析氢反应活性催化剂、析氧反应活性催化剂和双功能催化剂三大类。以单一功能催化剂为基体，在催化剂表面复合一层性能互补的纳米催化剂是催化剂复合实现催化剂双功能化的重要手段之一。通过外层纳米催化剂的精准形貌控制实现底层催化剂材料在电解液中的可及性是催化剂复合实现双功能化的关键。
　　（三）形貌与催化性能关系的实证研究
　　该项目研究团队开发了多个系列的催化剂主剂应用于电解水制氢，通过精确控制纳米材料的形貌，可以有效调整和优化材料的应用性能。实现了单一功能材料的有效复合和性能互补，拓宽了其在电解水制氢工业领域的应用，为双功能电解水催化剂开发提供了新思路。
　　二、电解水催化开发的关键
　　电解水催化剂的开发主要考虑催化剂的制备成本和催化剂的催化活性。
　　成本是制约催化剂开发和使用的重要因素。因为原材料的稀缺性，传统贵金属催化价格高昂，所以价格低廉的非贵金属基催化剂成为了电解水制氢催化剂研究的重点。本研究选用铁钴镍基催化剂作为主要研究对象。
　　催化剂开发要考虑的另一个要点是催化剂的活性，高活性催化剂是众多研究者的开发目标。电解水催化剂的活性调控，主要考虑以下几个方面：
　　基体材料的选择。具有高本征活性、优良导电性的材料常被选做基体材料。
　　催化剂材料的比表面积。构建纳米结构和层级结构可以有效提高电解水催化剂的电化学活性面积。
　　催化剂的表界面特性。良好的析氢、析氧催化剂表面通常具有良好的润湿性和合适的气体吸脱附能量。
　　电子结构调制和元素掺杂。通过元素掺杂可以实现催化剂材料的电子结构，特别是单原子催化是近年来的研究热点之一。
　　材料复合和协同作用。协同作用是双功能电解水催化剂的重要催化机理，而单一功能催化剂的高效复合是实现协同作用和双功能化的重要途径。
　  三、基于纳米形貌控制的电解水催化剂高效复合策略
　　（一）Ni（Cu）/NiFe纳米孔阵列催化剂
　　本制备策略的主要技术路线为在具有优良析氧反应活性的泡沫镍铁合金表面电沉积一层镍铜合金，而后通过电化学去合金化技术去除合金层中的铜纳米线，获得含铜量为2%左右的Ni（Cu）纳米管阵列，从而得到了镍铁支撑镍铜纳米管阵列Ni（Cu）/NiFe，催化剂表现出良好的催化活性，析氢过电位36mV，析氧过电位210mV。
　　（二）WS2/Ni3S2纳米花阵列催化剂
　　研究团队选择泡沫镍为基体，利用化学气相沉积（CVD）技术在材料表面制备了二硫化钨（WS2）纳米花阵列，而同时基体表面发生硫化形成Ni3S2纳米层，制得了WS2/Ni3S2纳米花阵列催化剂。催化剂的析氢过电位48mV，析氧过电位128mV，是优良的电解水双功能催化剂，催化剂性能在国际上属于第一梯队。
　　（三）NiCoFe-OOH/Ni纳米片阵列催化剂
　　本研究工作开创了电化学腐蚀—原位沉积技术，在泡沫镍表面制备了纳米多孔铁钴镍三元合金涂层，而后通过电化学腐蚀—原位沉积技术制备了NiCoFe-OOH/Ni纳米片阵列，催化展现出了优良的双功能催化活性。可以实现一节干电池（1.5V）催化水分解，这在国际双功能电解水催化剂中处于领先地位。
　　总体来讲，三个系列催化剂的开发在进行性能互补材料的选择基础上，通过纳米材料制备和形貌控制策略，控制了底层基体材料在电解液中的可及性，从而保证了材料的高效复合和在催化过程中的高效协同，实现了电解水催化材料的双功能化。
　　材料设计过程采用量子化学仿真软件VASP进行密度泛函（DFT）计算进行结构和性能预测，大大增加了材料性能的可预测性，缩短了催化剂的开发周期。
　　四、结论
　　课题组深入研究电解水催化剂材料纳米花技术，开创了多种电解水纳米催化剂制备技术并成功应用于双攻电解水催化剂开发。课题采用原创性的纳米材料技术，制备了三个系列的双功能复合纳米电解水纳米催化剂，材料都表现出了良好的析氢反应和析氧反应催化活性。电解水双能催化剂的高效复合和底层材料在电解液中的可及性控制是关键。通过机器学习（理论计算）辅助催化剂设计是有效的催化剂设计开发手段。
　 

本文系2023年大学生创新创业训练计划项目“基于科研成果转化的电解水制氢的双功能复合催化剂开发”（项目编号：S202313123038）研究成果