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Coatings 北京科技大学团队：从超声雾化到双功能催化，多尺度铜钴碳载催化用于氧还原与二氧化碳还原

已有 113 次阅读 2026-6-4 17:04 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

研究背景

在清洁能源转型与碳减排需求持续提升的背景下，氧还原反应和二氧化碳还原反应都是能源催化领域的关键过程。前者直接关系到燃料电池等装置的效率，后者则是实现二氧化碳资源化利用的重要路径。传统贵金属催化剂虽然性能优异，但存在成本高、资源稀缺的不足，限制了其大规模应用。因此，开发兼具高活性、低成本、可规模化制备的非贵金属双功能催化剂，已成为当前研究的重要方向。针对这一问题，北京科技大学宋玉军教授团队在 Coatings 发表了一篇文章，以多尺度Cu/Co-NC催化剂为对象，系统揭示了组成、结构与电催化性能之间的关系，并筛选出在ORR和CO₂RR中均表现最优的CoCu-800催化剂。团队提出了一种基于超声雾化与热解耦合的新策略，构筑多尺度铜钴负载氮掺杂碳催化剂，以兼顾金属利用效率、结构稳定性与双反应催化性能。

研究主要内容

该研究围绕铜钴双金属碳载催化剂的可控制备与双功能电催化应用展开。研究团队首先采用顺序超声雾化结合热解的方法，构建了具有层级特征的多尺度催化材料体系，并通过调节金属组成与热处理条件，系统考察了材料结构演化规律及其对催化性能的影响。在材料表征方面，研究结合多种表征，揭示了催化剂中多尺度金属组分与氮掺杂碳骨架之间的协同特征，说明该材料并非单一活性位点主导，而是由不同尺度结构共同作用形成复合催化体系。在性能评价方面，研究人员分别考察了材料在氧还原反应和二氧化碳还原反应中的电催化行为，并比较了不同组成和处理条件下样品的活性、动力学响应、界面传输特征与运行稳定性。研究进一步结合结构表征与电化学结果，讨论了铜钴比例、氮配位环境以及多尺度界面结构对双功能催化性能的影响，为非贵金属高效催化剂的设计提供了实验依据与机理认识。

研究亮点

提出顺序超声雾化耦合热解的新型制备路线，在保证结构可控的同时提高了金属前驱体利用率，材料总金属负载量达到22.45 ± 0.07 wt%。

构建了由超原子团簇、纳米颗粒与较大金属颗粒协同组成的多尺度层级结构，不是简单单一活性位点设计，而是兼顾界面活性位、导电传输通道与结构稳定性的协同体系。

在ORR和CO₂RR两类关键反应中实现了双功能催化，其中CoCu-800的ORR半波电位达到0.87 V，CO₂R过程中CO法拉第效率稳定在约70%，体现出较强的综合性能。

图文赏析

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研究成果

建立了一种适用于多元素、多尺度催化材料制备的简洁工艺路线，为低成本、规模化制备双功能电催化剂提供了方法基础。

获得了综合性能最优的CoCu-800催化剂，其在ORR中表现出0.87 V的半波电位，并在阻抗和动力学指标上体现出明显优势。

在CO₂RR中，CoCu-800可在−0.73 V下连续稳定运行12 h，电流密度波动较小，CO法拉第效率维持在约70%，说明其具备较好的稳定性与产物选择性。

研究总结

这项工作围绕非贵金属双功能催化剂设计，提出了兼顾高金属利用率、多尺度结构构筑与双反应性能优化的研究思路。结果表明，通过调控Co/Cu比和煅烧温度，可以在同一材料体系中实现ORR与CO₂RR性能的协同提升，其中CoCu-800在结构、传输和界面反应之间取得了较优平衡。与单纯追求极限活性相比，这项研究更强调合成简便、资源利用效率高、性能稳定且具有放大潜力的实际价值，因此对面向规模化应用的电催化材料开发具有较强参考意义。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2079-6412/16/2/260