齐鲁工大JCIS：100毫秒“闪电”把木质素烧成装甲钢！NiRu合金开启海水制氢抗氯新模式

绿色氢能的未来在海洋。但直接电解海水有一个让科研界头疼的死穴氯离子。海水里高浓度的Cl⁻像一群白蚁啃活性位点、腐蚀碳载体、溶解金属组分。常规热解烧出来的碳无定形、缺陷多一进海水就“散架”。载体一垮什么都完了。齐鲁工业大学魏桂涓、赵西夏团队最近在《Journal of Colloid and Interface Science》上发表新突破。他们用闪蒸焦耳热FJH在100毫秒内给生物质木质素来了次深度“整容”构筑出石墨铠甲护身的NiRu合金催化剂。这套系统在宽pH范围海水中都能稳定制氢彻底无惧氯离子的挑衅。结果碱性海水中100 mA cm⁻²过电位仅130.1 mV酸性105.7 mV中性241.9 mV稳定运行超100小时。DFT计算表明氢吸附自由能达到近理想的-0.20 eV而氯离子吸附能仅-2.06 eV——Cl⁻想贴上去门都没有。01 毫秒级“炼金术”2800 K瞬时脉冲构筑强耦合界面先看图1。研究团队施加120 V的高电流脉冲在约100毫秒内将前驱体加热至近2800 K再以超10⁴ K/s冷却。这种极速的非平衡过程实现了真正的“降维打击”。图1a展示了从木质素到NiRuNOLGC的转变。图1c的TEM中平均粒径仅3.5 nm的NiRu合金颗粒均匀“镶嵌”在多孔碳骨架上。最硬核的是图1e的HR-TEM你可以清晰看到石墨晶格0.335 nm与NiRu合金111晶面0.21 nm紧密耦合界面上是M-N-C共价键。图1f-k的EDS面扫显示Ni、Ru和N、O富集区高度重合——金属和掺杂位点是“焊死”的不是物理堆上去的。02 结构有序化88.4%石墨化度打造抗腐蚀“铠甲”传统的生物炭往往是无定形的但NiRuNOLGC在闪蒸之后展现出了惊人的石墨化程度。图2a的拉曼光谱ID/IG低至0.12——比传统热解碳通常1低了一个数量级。图2c-d的XRD和计算石墨化度高达88.4%。图2e-i的XPS显示N 1s里出现了M-N峰399.5 eVNi 2p和Ru 3p的结合能向高能偏移——电子从NiRu转移到了碳载体上金属表面缺电子。缺电子的好处是什么亲水、排斥Cl⁻。这为后面的抗腐蚀性能埋下了伏笔。03 活性与耐力100小时超长运行无惧天然海水图3进入性能实测。图3a-b的极化曲线NiRuNOLGC在碱性模拟海水中1M KOH0.5M NaCl100 mA cm⁻²过电位仅130.1 mV比Pt/C~150和传统热解样~200都低。塔菲尔斜率55.4 mV dec⁻¹反应动力学快。图3f是耐力测试100小时恒电流运行电位几乎没变。图3g在天然海水中测性能衰减极小。图3h的XPS Cl 2p表面氯含量仅0.56 at%传统热解样是1.21 at%——Cl⁻被成功挡在门外。机制很简单缺电子的金属表面水分子更容易吸附、解离Cl⁻被静电排斥近不了身。04 理论起底d带中心上移与近乎理想的吸附自由能为什么FJH出来的催化剂这么强图4的DFT计算揭示了底层逻辑。图4a-c的态密度DOSNiRuNOLGC中NiRu的d轨道和N/C的p轨道杂化更强d带中心上移到-1.167 eV合适的位置。图4d-f的电荷密度差显示电子从NiRu往碳载体跑但转移量适中再分配效率最高。图4g的氢吸附自由能ΔG_H*-0.20 eV接近理想值0 eV。图4h的H₂O结合能最强-0.73 eV。图4i的Cl⁻吸附能最弱-2.06 eV对比传统热解样-2.54 eV差了0.48 eV——Cl⁻想吸附能垒太高放弃。05 宽pH实战从酸性到全解水全能表现图5展示了催化剂的普适性。不同海域的酸碱度不同甚至在反应过程中pH会波动。图5a-c酸性模拟海水0.5M H₂SO₄0.5M NaCl100 mA cm⁻²过电位仅105.7 mV稳定跑100小时。图5d中性1M PBS0.5M NaCl过电位241.9 mV同样100小时稳定。图5e-g的OER性能碱性模拟海水中100 mA cm⁻²过电位330 mV够用。图5h-i的双电极全解水NiRuNOLGC || NiRuNOLGC100 mA cm⁻²只需1.62 V稳定运行100小时——同一个材料阳极和阴极都干了宽pH海水直接制氢离工业化近了一步。总结与展望齐鲁工业大学团队的这项工作不仅为海水电解提供了一种高性能材料更展示了一个普适的设计原则利用超快闪蒸焦耳热技术构筑结构有序的碳载体是解决复杂环境电催化稳定性的有效途径。这种将生物质变废为宝、毫秒级快速合成、宽pH通用的策略真正把“原子级设计”写在了工业应用的蓝图上。文献信息Flash joule heating drives structural ordering for efficient metal-support interaction in lignin-derived NiRu catalysts toward broad-pH seawater electrolysisJournal of Colloid and Interface Science, 2026, 140513DOI: 10.1016/j.jcis.2026.140513