DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908527
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير محفز كهربائي جديد Ru-Cu₃P/CF لتحليل الماء، يهدف إلى إنتاج “الهيدروجين الأخضر” بكفاءة عبر نطاق واسع من الأس الهيدروجيني. يتميز المحفز بدعم Cu₃P على شكل هرم تم بناؤه في الموقع على هيكل رغاوي النحاس ثلاثي الأبعاد من خلال الأكسدة السطحية والتحليل الفوسفاتي المنضبط. إن دمج الروثينيوم (Ru) يعزز الأداء التحفيزي، حيث يحقق تفاعلات تطور الهيدروجين (HER) بفائض جهد يبلغ فقط 241.7 مللي فولت و281.3 مللي فولت عند كثافة تيار تبلغ 1 A·cm⁻² في ظروف قلوية وحمضية، على التوالي. ومن الجدير بالذكر أن محفز Ru-Cu₃P/CF يتفوق على المحفزات التجارية Pt/C ويظهر استقرارًا ممتازًا، مع انخفاض أقل من 5% على مدى 150 ساعة في مياه البحر.
تسلط النتائج الضوء على إمكانيات محفز Ru-Cu₃P/CF للتطبيقات العملية في إنتاج الهيدروجين، لا سيما في البيئات الكهروكيميائية المعقدة مثل مياه البحر. تؤكد الدراسة على أهمية تحسين نقل الشحنات وتعريض المواقع النشطة من خلال تصميم مواد مبتكرة، مما يمهد الطريق لتطوير محفزات كهربائية عالية الأداء ومقاومة للتآكل مع تقليل محتوى المعادن الثمينة.
مقدمة
تسلط مقدمة البحث الضوء على أهمية إنتاج الهيدروجين من خلال تحليل الماء كركيزة أساسية لإنشاء اقتصاد طاقة هيدروجينية خضراء. أحد التحديات الرئيسية في هذا المجال هو تطوير محفز لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) يعمل بشكل مستقر عند كثافات تيار على مستوى الأمبير عبر جميع قيم الأس الهيدروجيني. بينما تظهر المحفزات المعدنية الثمينة أداءً متفوقًا، فإن تكلفتها العالية وتوافرها المحدود تعيق اعتمادها على نطاق واسع. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لأنظمة تحفيزية مبتكرة تقلل من استخدام المعادن الثمينة مع الحفاظ على نشاط واستقرار عالٍ.
تناقش الورقة إمكانيات النحاس كمحفز بسبب حالات الأكسدة المتنوعة له وبنيته ثلاثية الأبعاد (3D)، مما يعزز نقل الكتلة في الإلكتروليت وإزالة الفقاعات. لقد ظهرت رغاوي النحاس، المعروفة بمساحتها السطحية العالية وموصلتها، كحامل محفز واعد. ومع ذلك، فإن تطبيقها الصناعي يواجه تحديات تتعلق بالاستقرار الكهروكيميائي، لا سيما التآكل تحت ظروف HER، مما يؤدي إلى تدهور المحفز. لمعالجة هذه التحديات، يقدم المؤلفون محفزًا مركبًا من فوسفيد النحاس المخدر بالروثينيوم (Ru-Cu₃P/CF)، والذي يتم تصنيعه من خلال النمو في الموقع لـ Cu₃P على رغاوي النحاس. لا تزيد هذه البنية الفريدة من المساحة السطحية فحسب، بل تعزز أيضًا الأداء التحفيزي من خلال تحفيز مجال كهربائي محلي مرتفع. تشير الاختبارات الكهروكيميائية إلى أن محفز Ru-Cu₃P/CF يظهر أداءً ممتازًا في تفاعل HER عبر ظروف الأس الهيدروجيني المختلفة، مع الحفاظ على تشغيل مستقر عند كثافات تيار تتجاوز 1 A·cm⁻²، مما يثبت إمكانيته في تطور الهيدروجين بكفاءة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون طرق التصنيع لإنشاء مواد قائمة على النحاس، تحديدًا Cu₂O/CF وRu-Cu₃P/CF. تبدأ العملية بتنظيف رغاوي النحاس بالموجات فوق الصوتية في سلسلة من المحاليل (3 M HCl، ماء منزوع الأيونات، وإيثانول) تليها عملية التجفيف. ثم يتم غمر الرغوة النظيفة في محلول 3 M NaOH، حيث يتم إدخال الأكسجين حتى يتحول المحلول إلى اللون الأزرق. بعد ذلك، يتم تسخين المحلول إلى 40 درجة مئوية، ويتم إضافة بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) حتى يتلاشى اللون الأزرق، مما يؤدي إلى إنتاج Cu₂O/CF. يتم بعد ذلك تكليس هذه المادة مع مسحوق الفوسفور في جو نيتروجيني عند 350 درجة مئوية لمدة ساعتين لإنتاج Cu₃P/CF.
ثم يتم إخضاع Cu₃P/CF للإيداع الكهربائي في نظام ثلاثي الأقطاب باستخدام محلول من KCl وRuCl₃، مما يؤدي إلى تشكيل Ru-Cu₃P/CF. يتم إعداد عينة تحكم، Cu₃Posp/CF، تحت نفس الظروف ولكن بدون خطوة الأكسدة. يتم تقديم تفاصيل تجريبية إضافية في المواد التكميلية الإلكترونية (ESM).
نتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع محفز مركب Ru-Cu₃P/CF من خلال معالجة الأكسدة السطحية والتحليل الفوسفاتي لرغاوي النحاس (CF)، مما أدى إلى هيكل بلوري على شكل هرم من Cu₃P. أظهرت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن الخلفية القوية من رغاوي النحاس حجبت القمم الضعيفة للروثينيوم، بينما أكدت مطيافية الأشعة السينية للألكترونات (XPS) وجود Ru بشكل أساسي بحالة صفرية مع بعض الأكسدة. كشفت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن هيكل متعدد المستويات يعزز ترسيب وتشتت Ru، وهو أمر حاسم لأداء المحفز. أظهر محفز Ru-Cu₃P/CF نشاطًا متفوقًا في تفاعل تطور الهيدروجين (HER) عبر بيئات الأس الهيدروجيني المختلفة، محققًا فائض جهد قدره 241.70 مللي فولت في ظروف قلوية للوصول إلى كثافة تيار تبلغ 1 A·cm⁻²، متفوقًا على المحفزات التجارية Pt/C.
أظهر المحفز استقرارًا ممتازًا، مع تدهور طفيف في الأداء بعد دورات طويلة وتشغيل مطول في الوسط القلوي. أشارت مطيافية الامتصاص الكهروكيميائي إلى مقاومة نقل شحن منخفضة، مما يشير إلى نقل فعال للإلكترونات. تم التحقق من أداء المحفز بشكل أكبر في البيئات المعقدة، مثل مياه البحر، حيث حافظ على نشاط عالٍ مقارنةً بـ Pt/C. قدمت الدراسات الطيفية في الموقع رؤى حول آلية HER، كاشفة عن تشكيل روابط Ru-H وشبكات مياه بينية منظمة تسهل تحلل الماء. أوضحت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التفاعلات الإلكترونية عند واجهة Ru-Cu₃P، مما يبرز خصائص الامتصاص المواتية لها بالنسبة للبروتونات وجزيئات الماء، مما يعزز بشكل جماعي تفاعل المحفز واستقراره عبر نطاق واسع من الأس الهيدروجيني.
نقاش
في هذه الدراسة، طور المؤلفون محفزًا مركبًا قائمًا على الروثينيوم، تم تسميته Ru-Cu₃P/CF، باستخدام Cu₃P على شكل هرم كمادة دعم، والتي تم تصنيعها في الموقع على رغاوي النحاس من خلال نهج هندسة سطحية منضبط. يهدف هذا التصميم المبتكر إلى تعزيز كل من نقل الشحنات وتعريض المواقع النشطة، مما يؤدي إلى أداء متفوق في تفاعل تطور الهيدروجين (HER) واستقرار مقارنةً بالمحفزات التجارية Pt/C عبر بيئات الأس الهيدروجيني المختلفة، بما في ذلك مياه البحر، حيث أظهر تدهورًا أقل من 5% على مدى 150 ساعة.
أظهر محفز Ru-Cu₃P/CF فائض جهد منخفض بشكل ملحوظ قدره 241.7 مللي فولت و281.3 مللي فولت في الإلكتروليتات القلوية والحامضية، على التوالي، عند كثافة تيار تبلغ 1 A·cm⁻². علاوة على ذلك، في ظروف الإلكتروليت المحايد، حقق فائض جهد قدره 105.1 مللي فولت فقط عند كثافة تيار تبلغ 100 mA·cm⁻²، متفوقًا على المحفز التجاري Pt/C. لا تبرز هذه النتائج فقط التطبيق العملي لـ Ru-Cu₃P/CF لإنتاج الهيدروجين بكفاءة، بل تقترح أيضًا استراتيجية تصميم مواد جديدة لتطوير محفزات عالية الأداء ومقاومة للتآكل مناسبة للبيئات الكهروكيميائية المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908527
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
This study presents the development of a novel Ru-Cu₃P/CF electrocatalyst for water electrolysis, aimed at producing “green hydrogen” efficiently across a wide pH range. The catalyst features a pyramid-like Cu₃P support constructed in situ on a three-dimensional copper foam skeleton through controlled surface oxidation and phosphating. The incorporation of ruthenium (Ru) enhances the catalytic performance, achieving hydrogen evolution reactions (HER) with overpotentials of only 241.7 mV and 281.3 mV at a current density of 1 A·cm⁻² in alkaline and acidic conditions, respectively. Notably, the Ru-Cu₃P/CF catalyst outperforms commercial Pt/C catalysts and demonstrates excellent stability, with less than 5% decay over 150 hours in seawater.
The findings highlight the potential of the Ru-Cu₃P/CF catalyst for practical applications in hydrogen production, particularly in complex electrolytic environments such as seawater. The study emphasizes the importance of optimizing charge transport and active site exposure through innovative material design, paving the way for the development of high-performance, corrosion-resistant electrocatalysts with reduced noble metal content.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of hydrogen production through water electrolysis as a cornerstone for establishing a green hydrogen energy economy. A critical challenge in this field is the development of an all-pH hydrogen evolution reaction (HER) catalyst capable of stable operation at ampere-level current densities. While precious metal catalysts demonstrate superior performance, their high cost and limited availability hinder widespread adoption. Consequently, there is a pressing need for innovative catalytic systems that minimize precious metal usage while maintaining high activity and stability.
The paper discusses the potential of copper as a catalyst due to its versatile oxidation states and three-dimensional (3D) structure, which enhances electrolyte mass transfer and bubble desorption. Copper foam, recognized for its high specific surface area and conductivity, has emerged as a promising catalyst carrier. However, its industrial application is challenged by electrochemical stability issues, particularly corrosion under HER conditions, leading to catalyst degradation. To address these challenges, the authors present a Ru-doped copper phosphide (Ru-Cu₃P/CF) composite catalyst, which is synthesized by in-situ growth of Cu₃P on copper foam. This unique structure not only increases the surface area but also enhances catalytic performance by inducing a local high electric field. The electrochemical tests indicate that the Ru-Cu₃P/CF catalyst exhibits excellent HER performance across various pH conditions, maintaining stable operation at current densities exceeding 1 A·cm⁻², thereby demonstrating its potential for efficient hydrogen evolution.
Methods
In this section, the authors detail the fabrication methods for creating copper-based materials, specifically Cu₂O/CF and Ru-Cu₃P/CF. The process begins with the ultrasonic cleaning of copper foam in a series of solutions (3 M HCl, deionized water, and ethanol) followed by drying. The cleaned foam is then immersed in a 3 M NaOH solution, where oxygen is introduced until the solution turns blue. Afterward, the solution is heated to 40 °C, and hydrogen peroxide (H₂O₂) is added until the blue color dissipates, resulting in Cu₂O/CF. This material is subsequently calcined with phosphorus powder in a nitrogen atmosphere at 350 °C for 2 hours to produce Cu₃P/CF.
The Cu₃P/CF is then subjected to electrodeposition in a three-electrode system using a solution of KCl and RuCl₃, resulting in the formation of Ru-Cu₃P/CF. A control sample, Cu₃Posp/CF, is prepared under identical conditions but without the oxidation step. Additional experimental details are provided in the Electronic Supplementary Material (ESM).
Results
In this study, a Ru-Cu₃P/CF composite catalyst was synthesized through a surface oxidation-phosphating treatment of copper foam (CF), resulting in a pyramid-like crystal structure of Cu₃P. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that the strong background from the copper foam obscured the weak ruthenium peaks, while X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the presence of primarily zero-valent Ru with some oxidation. Scanning electron microscopy (SEM) revealed a multi-level structure that enhanced the deposition and dispersion of Ru, which was crucial for the catalyst’s performance. The Ru-Cu₃P/CF catalyst demonstrated superior hydrogen evolution reaction (HER) activity across various pH environments, achieving an overpotential of 241.70 mV in alkaline conditions to reach a current density of 1 A·cm⁻², outperforming commercial Pt/C catalysts.
The catalyst exhibited excellent stability, with minimal performance degradation after extensive cycling and prolonged operation in alkaline media. Electrochemical impedance spectroscopy indicated a low charge transfer resistance, suggesting efficient electron transport. The catalyst’s performance was further validated in complex environments, such as seawater, where it maintained high activity compared to Pt/C. In situ spectroscopic studies provided insights into the HER mechanism, revealing the formation of Ru-H bonds and structured interfacial water networks that facilitate water decomposition. Density functional theory (DFT) calculations elucidated the electronic interactions at the Ru-Cu₃P interface, highlighting its favorable adsorption properties for protons and water molecules, which collectively enhance the catalyst’s reactivity and stability across a wide pH range.
Discussion
In this study, the authors developed a Ru-based composite catalyst, designated as Ru-Cu₃P/CF, utilizing pyramid-like Cu₃P as a support material, which was synthesized in situ on copper foam through a controlled surface engineering approach. This innovative design aims to enhance both charge transport and the exposure of active sites, resulting in superior hydrogen evolution reaction (HER) performance and stability compared to commercial Pt/C catalysts across various pH environments, including seawater, where it demonstrated less than 5% decay over 150 hours.
The Ru-Cu₃P/CF catalyst exhibited remarkably low overpotentials of 241.7 mV and 281.3 mV in alkaline and acidic electrolytes, respectively, at a current density of 1 A·cm⁻². Furthermore, in neutral electrolyte conditions, it achieved an overpotential of just 105.1 mV at a current density of 100 mA·cm⁻², outperforming the commercial Pt/C catalyst. These findings not only highlight the practical applicability of Ru-Cu₃P/CF for efficient hydrogen production but also propose a novel material design strategy for developing high-performance, corrosion-resistant catalysts suitable for complex electrolytic environments.