酸性介质中高效析氧的生物炭——气凝胶电催化剂

以木质素为主要研究对象，利用海洋植物分子的“蛋盒”结构，进行限域，诱导形成木质素-海藻酸盐水凝胶，并通过离子置换、冷冻定向、原位碳化的策略，制备了具有高催化活性的生物炭气凝胶。经高温热解，木质素磺酸盐中的硫原子被选择移除，使得炭体表面上形成了丰富的缺陷位点。

在结构重构过程中，对碳层和钌中心的微环境进行了优化调整，合成了负载Ru/RuS2异质结的缺陷碳气凝胶。异质结与缺陷位点的协同作用，促进了界面电荷的传输。该催化剂在0.5 M H2SO4的溶液中，实现10 mA cm−2的电流密度时，仅需要228 mV的低过电势，并且在12000 s的时间仍展现出较高的循环特性。

由于海藻酸盐和木质素磺酸盐的自组装，形成的复合气凝胶呈现出2D/3D互穿结构。金属钌与不同种类前驱体的配位提高了气凝胶的稳定性。通过高温热解，构建了Ru/RuS2异质结，并获得了丰富的碳缺陷位点；同时炭气凝胶的比表面积进一步增加，以及内部的微纳孔隙得到了优化，因而提高了电解质的输运效率。该研究发展了缺陷与异质结协同增强界面相互作用的方法，构建了高性能的异质炭气凝胶电催化剂，实现了生物质的高效高值利用。

图3 生物炭气凝胶的结构形成分析