静电纺纳米纤维过渡金属基双功能电催化剂及其在全解水中的应用

doi:10.7503/cjcu20250280

摘要/Abstract

摘要：

电化学水分解是目前最具潜力的可持续制氢途径之一，然而，阴极析氢反应与阳极析氧反应所需的高过电位严重制约了其规模化应用. 过渡金属基催化剂因成本低、组成可调和具有类贵金属催化活性，可有效降低电极过电位，被视为替代贵金属催化剂的理想材料, 因而备受关注. 本文总结了基于静电纺纳米纤维构筑的过渡金属双功能电催化剂的主要类型（金属、氧化物、磷化物、硫化物及碳化物等体系），重点讨论了提升其催化性能的关键策略（包括异质界面工程、杂原子掺杂、金属-非金属-金属桥接结构设计以及单原子位点调控等）. 最后，探讨了该领域面临的挑战与未来发展的方向，以期为高性能全解水电催化剂的理性设计与开发提供参考.

关键词: 静电纺丝, 纳米纤维, 过渡金属基催化剂, 全解水, 性能优化

Abstract:

Electrochemical water splitting represents a sustainable technology for hydrogen（^{H₂） production. However， its large-scale implementation is hindered by the high overpotentials required for both the cathodic hydrogen evolution reaction（^{HER） and the anodic oxygen evolution reaction（^{OER）. Transition metal-based catalysts have garnered significant research interest as promising alternatives to noble-metal catalysts， owing to their low cost， tunable composition， and noble-metal-like catalytic activity. Nevertheless， systematic reviews on their application as bifunctional catalysts for overall water splitting（OWS） are still limited. This review comprehensively outlines the principal categories of bifunctional transition metal electrocatalysts derived from electrospun nanofibers （NFs）， including metals， oxides， phosphides， sulfides， and carbides. Key strategies for enhancing their catalytic performance are systematically summarized， such as heterointerface engineering， heteroatom doping， metal-nonmetal-metal bridging architectures， and single-atom site design. Finally， current challenges and future research directions are discussed， aiming to provide insightful perspectives for the rational design of high-performance electrocatalysts for OWS.}}}

Key words: Electrospinning, Nanofibers, Transition metal-based catalyst, Overall water splitting, Performance optimization

中图分类号:

O636

TrendMD:

银泳婷, 卢晓峰. 静电纺纳米纤维过渡金属基双功能电催化剂及其在全解水中的应用. 高等学校化学学报, 2026, 47(1): 20250280.

YIN Yongting, LU Xiaofeng. Electrospun Nanofibrous Transition Metal-based Bifunctional Electrocatalysts Toward Overall Water Splitting. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250280.

图/表 8

Fig.1 Scheme for the electrospun nanofibrous transition metal⁃based bifunctional electrocatalysts toward OWS

Fig.2 Scheme of the procedure to prepare the Co⁃Ir nanofibrous catalyst(A), SEM image(B), TEM image(C), HRTEM image(D) and SAED pattern(E) of the Co⁃Ir⁃600 NFs, LSV curves of varied electrocatalysts for OER(F), comparison of OER activity for varied catalysts(G), Tafel slopes of varied catalysts for OER(H), LSV curves(I) and Tafel slopes(J) of varied catalysts for HER and i⁃t curve and the LSV curves before and after 1000 CV cycles(inset) of Co⁃Ir⁃600 NFs for HER(K)[23]

Fig.3 Schematic illustration of the alkaline two⁃electrode OWS system(A), LSV curves without iR correction(B) and power consumption for H2 generation at various current densities in two electrolysis systems(C), comparison of voltages at 10 mA/cm2 among various electrolysis systems(D), practical and theoretical O₂(E) and H₂(F) production as well as the FEs of the OWS system, stability test and the gas bubbles at the electrodes in the electrolyte(inset) of RuCoOₓ⁃300||Ru2CoOₓ⁃300 and Pt/C||RuO2 electrolysis systems(G)[26]

Fig.4 Illustration of the preparation process of Co⁃C/NiFeS NFs(A), SEM(B), TEM(C), HRTEM(D) images of Co⁃C/NiFeS NFs, Raman spectra of Co⁃C and Co⁃C/NiFeS NFs(E), LSV curves of varied electrocatalysts for OER(F), collections of overpotentials at 10 and 80 mA/cm2(G), OER durability at around 10 mA/cm2(H) of Co⁃C/NiFeS NFs, LSV curves(I) and Tafel slopes(J) of varied electrocatalysts for HER and i⁃t curve and the LSV curves before and after 2000 CV cycles(inset) of Co⁃C/NiFeS NFs for HER(K)[37]

Fig.5 DFT calculation results of WC1⁃x /Mo2C, Mo2C and WC1⁃x [43]（A） Calculated work function；（B） deformation charge density of catalyst；（C） calculated adsorption and dissociation energies of H2O on the catalysts；（D） computed Gibbs free energy；（E） proposed pathways for OER；（F） adsorption free energy of oxygen⁃containing intermediates on the catalysts；（G） the d⁃band centers of Mo and W；（H） schematic diagram illustrating the correlation between the d⁃band center and adsorption strength；（I） comparison of the free energy of key intermediates versusd⁃band center positions. Copyright 2024， John Wiley and Sons.

Fig.6 Charge density difference of Co6Mo6C⁃Ir NFs catalyst(A), ΔGH* at varied adsorption sites(B), OER overpotentials on Co6Mo6C⁃Ir NFs and Bader charge of various active sites(C), polarization curves of two electrolyzers(D), FEs of the two electrolyzers measured at 200 mA/cm2(E), the ohmic and activation overpotential analysis for Co6Mo6C⁃Ir⁃2 NFs||Co6Mo6C⁃Ir⁃2 NFs system(F) and the long⁃term stability test and the vigorous generation of H2 and O2 at the electrodes(insets) of two electrolyzers(G)[55]

Fig.7 Adsorption sites for H* on Mn⁃doped RuO2(A), the calculated ΔGH* at varied adsorption sites(B), schematic illustration of the formed fully filled bonding orbital and a partially filled antibonding orbital for H* adsorption(C), free energy diagram of OER at the top site of Mn in Mn⁃doped RuO2(D), potential⁃dependent Raman spectra of RuO2 NFs Mn⁃doped RuO2 NFs(E, F), LSV curves(G) and FEs(H) of various electrolysis systems, digital photograph for generating H2 and O2 bubbles at cathode and anode(I) and the stability test of various electrolysis systems(J)[61]

Fig.8 SEM image(A), TEM image(B), magnified spherical aberration⁃corrected HAADF⁃STEM image(C) and corresponding line scanning intensity profile of Cr, B⁃doped RuO2 NFs(D), XANES spectra for Ru K⁃edge(E) and Cr K⁃edge(F) for various samples, wavelet⁃transform EXAFS analysis at the Ru K⁃edge(G) and the Cr K⁃edge(H) of Cr, B⁃doped RuO2 NFs, operando DEMS spectra for Cr, B⁃doped RuO2 NFs using H218O solvent(I) and 18O⁃labeled Cr, B⁃doped RuO2 NFs with H216O solvent(J), schematic diagram of AEM mechanism for OER(K), free energy diagram of OER on various Ru sites(L) and correlation between the calculated negative overpotential(-ηOER) and the descriptor of ΔGO*-ΔGOH* for various catalysts(M)[67]

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