摘要：2025年5月29日，上海交通大学邱惠斌在国际顶级期刊Nature communications发表题为《Synthesis of noble metal nanoarrays via agglomeration and metallurgy for acid
贵金属电催化剂仍是质子交换膜水电解的主要材料，主要是因为其在酸性介质中的活性和耐久性极为出色。
然而，传统的粉末和颗粒型催化剂在实际应用中普遍存在聚集、脱落和电子导电性差的问题。
2025年5月29日，上海交通大学邱惠斌在国际顶级期刊Nature communications发表题为《Synthesis of noble metal nanoarrays via agglomeration and metallurgy for acidic water electrolysis》的研究论文，陶佳伟为论文第一作者，邱惠斌为论文通讯作者。
在本文中，作者开发了一种基于胶束刷引导的方法，将金属纳米粒子聚集并熔炼成具有可设计结构的垂直纳米阵列，这些纳米阵列可放置在各种基底上。
虽然堆叠纳米粒子的纳米阵列在酸性介质中稳定性较差，但熔炼处理显著提高了电子导电性，提高了四个数量级，并强化了纳米阵列结构。
这使得可以定制制造出具有优异析氢活性的自支撑耐酸金属和合金纳米阵列催化剂，以及具有非凡析氧活性的金属氧化物纳米阵列。
在质子交换膜电解槽中将金属Ru纳米阵列和RuOx纳米阵列结合使用，还能实现长达500 h（在 1 A cm-2 的电流密度下）的长期稳定水电解过程。
图1：金属纳米颗粒聚集形成纳米线
展示了Ru 纳米颗粒（3.3 nm）在 PFS29-b-P2VP230胶束刷的 P2VP 冠层中渗透和聚集的过程。通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散光谱（EDS）映射图像，揭示了 Ru 纳米颗粒紧密堆积形成的规则纳米线。XPS 分析表明，Ru 纳米颗粒通过配位作用与 P2VP 冠层的吡啶基团结合，且随着聚集过程的进行，这种结合增强。
图2：金属纳米颗粒在基底上聚集形成直立纳米阵列
描述了在碳布上通过胶束刷引导方法聚集Ru 纳米颗粒形成直立纳米阵列的过程。随着浸渍循环次数的增加，Ru 纳米颗粒的负载量增加，最终形成高度约 0.5~1.6 μm 的密集直立纳米阵列。通过扫描电子显微镜（SEM）和电导原子力显微镜（AFM）测量了纳米阵列的形貌和电导率，发现纳米阵列具有良好的电导性能。
图3：金属纳米颗粒纳米阵列的熔炼
展示了通过高温熔炼将Ru 纳米颗粒纳米阵列转化为连续的金属纳米阵列的过程。在 600 °C 下熔炼后，纳米颗粒完全融合成连续的多晶结构，电子显微镜图像显示了纳米阵列的微观结构变化。XRD 分析确认了熔炼后 Ru 纳米阵列的晶体结构，电子导电性测试表明熔炼后的纳米阵列导电性显著提高。
图4：合金纳米阵列的制备
通过熔炼方法将Ru 和 Pt 纳米颗粒混合形成的纳米阵列转化为合金纳米阵列。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和 EDS 映射图像显示了合金纳米阵列中 Ru 和 Pt 元素的均匀分布。XRD 分析进一步确认了合金相的晶体结构，表明熔炼过程促进了金属纳米颗粒的共晶化。
图5：熔炼纳米阵列的电催化性能
评估了熔炼后的金属和合金纳米阵列在酸性介质中的析氢反应（HER）性能，以及金属氧化物纳米阵列的析氧反应（OER）性能。极化曲线和塔菲尔图表明，这些纳米阵列催化剂在高电流密度下表现出优异的活性和稳定性。特别是 Ru 纳米阵列-600 和 RuPt 合金纳米阵列在 HER 中展现出低过电位和快速反应动力学，而 RuOx纳米阵列-400 在 OER 中表现出高活性。
图6：质子交换膜水电解装置性能
展示了使用RuOx 纳米阵列-400 作为阳极和 Ru 纳米阵列-600 作为阴极的质子交换膜水电解装置的性能。极化曲线表明，该装置在 80°C 下仅需 1.88 V 即可达到 2 A cm-2的电流密度，显著优于商业IrO2/Pt/C 电解槽。长期稳定性测试表明，该装置在 1 A cm-2下运行超过500 小时，电压几乎没有增加，显示出卓越的耐久性。
综上，作者成功制备了自支撑的耐酸金属和合金纳米阵列催化剂，以及金属氧化物纳米阵列，展现出卓越的氢气和氧气生成活性，并在工业级电流密度下实现了超过500 h的长期稳定水电解。
这一成果不仅为酸性水电解提供了高性能的催化剂，还为设计新型纳米结构催化剂提供了新思路，有望推动可再生能源驱动的可持续制氢技术发展，同时为其他电催化、传感器和光电器件等领域提供了新的材料设计策略。
Tao, J., Gao, R., Lin, G. et al. Synthesis of noble metal nanoarrays via agglomeration and metallurgy for acidic water electrolysis. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60419-8.
来源：朱老师讲VASP
