NSR | 给催化剂造一副“海胆骨架”：金属玻璃超材料助力高效电解水制氢

一场跨越多个尺度的“接力赛”

随着可再生能源快速发展，利用电解水制取“绿氢”被寄予厚望。然而，真正面向规模化应用时，催化剂不仅要“反应快”，还要经得住长时间运行，同时让电解液顺畅进入、氢气和氧气及时排出。然而令人棘手的是，这些性能分别受原子、纳米、微米乃至宏观结构控制，而传统设计往往只优化其中一环，很难做到全链条兼顾。

图1　拓扑工程化金属玻璃超材料催化剂的多尺度设计示意图

灵感来自海胆和海星的骨骼

这套结构的灵感来自海胆、海星等棘皮动物。它们的骨骼看似轻巧，却拥有连续互联的多孔网络，既坚固又有利于物质交换。研究人员利用微激光粉末床熔融技术，打印出锆基金属玻璃三周期极小曲面（TPMS）微点阵骨架，再通过脉冲电沉积，在其表面原位生长NiMo纳米玻璃催化层，构建出“骨架—表面—界面”一体化催化剂。

在多种拓扑结构中，Gyroid结构表现尤为突出。它没有尖锐转角，连续曲面形成了高度互联的三维通道，电解液可以更快渗入，反应物能够持续补充，生成的气泡也更容易沿通道排出。与此同时，金属玻璃骨架提供稳定的力学支撑，有助于整体电极在长期运行中保持结构完整。

“绣球花”表面背后的原子级设计

进一步观察发现，骨架表面覆盖着大量“绣球花”状NiMo颗粒。丰富的褶皱和沟槽显著增大了反应面积，并使表面呈现超亲水、超疏气特性——水可以迅速铺展，而气泡不易黏附。

更重要的是，这些颗粒并不是成分均一的普通非晶材料，而是由Ni₇₈Mo₂₂和Ni₆₈Mo₃₂等不同成分的非晶纳米区域组成。不同区域之间形成了大量“非晶—非晶”异质界面，即具有化学和结构异质性的纳米玻璃，可调节局部电子结构，为水分解反应提供更加活跃的反应位点。

图2. 多尺度金属玻璃超材料催化剂的润湿性、气泡黏附特性及微纳结构。

1.438 V与200小时：不是单项冠军，而是系统协同

得益于多尺度结构的协同作用，NiMo@G电解槽在1 mol L⁻¹ KOH中，仅需1.438 V即可达到100 mA cm⁻²的电流密度，并可连续稳定运行超过200小时，性能未出现明显衰减。且该电压在电解水领域与同类催化剂相比具有明显的优势。

这意味着，研究团队并非单纯追求某一个性能指标的极值，而是把传质、润湿、排泡、力学稳定和界面催化“装进”同一个整体结构中，实现从宏观骨架到原子界面的协同设计。

图3. NiMo@G超结构优异的全解水性能。

从“设计孔道”走向“设计整个反应系统”

这项工作将超材料催化剂的设计从宏观孔道调控，进一步推进到宏观拓扑、微米表面和原子界面的协同工程。该策略也不局限于NiMo体系，有望拓展至其他多元非晶或非晶—纳米晶催化材料，为面向高电流密度、长寿命运行的下一代整体式电解水电极提供新的设计框架。

该论文近日在线发表于《国家科学评论》，杨丛瑞、裴超群为共同第一作者，柯海波、K. C. Chan和汪卫华为通讯作者。

研究论文

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag442