Rakesh Kulkarni | Lakshmi Prasanna Lingamdinne | Chhakchhuak Vanlalhmingmawia | Santosh S. Sutar | Swapnil R. Patil | Surabhi B. Puthanveettil | Yoon-Young Chang | Janardhan Reddy Koduru
环境工程系，光云大学，首尔，01897，韩国
摘要
开发高效且经济可行的催化剂对于推进可持续能源收集和环境修复以应对未来的全球需求至关重要。在这项研究中，通过一步水热法合成了混合FeCeMg-SH（源自Sargassum horneri）纳米复合材料，用于电化学水分解和染料降解等多种应用。制备的纳米复合材料呈现出立方体形态，并形成了延长的树枝状结构。在碱性溶液中，该催化剂在氧气析出反应（OER）（j100/300 = 223.6/339.5 mV）和氢气析出反应（HER）（j100/300 = 127.8/226.3 mV）方面表现出优异的性能。在两电极配置（2-E）下，该混合催化剂在300 mA/cm2的电流密度下实现了1.88 V的过电位，超过了相同条件下需要1.91 V的Pt/C‖RuO2电极。通过12小时的时间电流测量验证了FeCeMg-SH纳米复合材料的长期稳定性，并使用长短期记忆（LSTM）统计方法进一步分析了其耐久性。此外，该混合纳米复合材料在环境修复应用中表现出色，在50分钟内实现了约99.7%的Congo Red（CR）染料降解效率。该材料在6次循环使用后仍保持高性能，显示出其稳健性。密度泛函理论（DFT）研究阐明了CR染料降解的机制，为纳米复合材料的催化活性提供了宝贵的见解。这些结果表明FeCeMg-SH是一种有前途的材料，适用于可持续能源技术和环境净化领域的集成应用。
引言
全球人口的增长、过度的工业活动以及对传统化石燃料经济的依赖共同导致了大量有害污染物释放到大气和水生系统中，引发了各种环境问题[1]。为了解决上述问题，有必要开发可持续且环保的技术。加速绿色氢气（H2）能源的可持续发展的一种重要方法是开发经济高效的水分解催化剂[2,3]。尽管太阳能、风能和潮汐能仍被广泛使用，但科学家们主要关注H2能源的收集，因为与其他能源相比，H2受外部因素的影响较小[4,5]。H2在能源转换领域具有独特性，因为它可以直接从水中生成，并且能量密度高。因此，利用氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER）的电催化水分解是一个正在发展且充满前景的研究领域[6]。大多数传统电催化剂由贵金属及其氧化物组成，包括Pt/C、RuO2和IrO2。然而，这些催化剂的高价格和在碱性环境中的不稳定性严重限制了它们的实际应用，这促使人们寻找贵金属的替代材料[7]。
另一方面，受到有毒重金属和合成染料等污染物污染的水对人类健康构成重大风险[8]。偶氮染料（如Congo Red（CR））因其多种优点（如丰富的颜色、抗褪色性和低能耗）而广泛应用于纺织工业。这些染料通常包含一个或多个芳香环和发色基团。π-共轭偶氮键的特性以及共振稳定作用使得这些染料在光照和恶劣环境条件下具有显著的稳定性[9]。因此，偶氮染料被广泛应用于纺织、造纸、化妆品和制药等行业。已经提出了多种从受污染水中去除CR染料的方法，包括混凝絮凝、超声波照射、吸附、矿化、离子交换和电氧化[10,11]。其中，电氧化因能耗低、实施容易、易于再生和环境可持续性而受到广泛关注。吸附剂的种类和性质极大地影响了吸附过程的效果。因此，大量研究探讨了使用各种吸附剂去除废水中的CR染料。
最近，基于碳的材料在电催化领域受到了广泛关注，因为它们成本低廉、导电性能好且不含金属。这些材料具有多孔结构，可调节比表面积，从而提高了传质效率并增强了活性位点的暴露[12,13]。迄今为止，多种生物质资源已被用于环境修复和能源收集研究，例如西瓜皮、咖啡废弃物、蔬菜残渣和豆芽等[14][15][16]。Sargassum horneri（SH）是一种具有介孔结构的可再生藻类材料，有利于有效的轴向溶质传输。此外，SH含有较高的天然氮含量，使其成为原位制备氮掺杂多孔碳的理想候选材料[17,18]。因此，用杂原子和过渡金属（TM）化合物掺杂碳材料已被证明是一种有效的策略，可以克服这些缺点。例如，Guo等人制备了一种双金属-N-C框架（Co0.75Fe0.25），其在OER过程中的Tafel斜率较小，过电位仅为303 mV[19]。
此外，加入金属（特别是Fe、Co、Cr、Ce、Mn和Mg）可以显著提高纳米复合材料的催化性能[20]。在三种非贵金属组成的复合材料中，Fe、Ce和Mg的复合材料特别适合用于整体水分解。这归因于它们更优越的电催化活性，表现为更低的过电位和更快的反应动力学，优于二元纳米复合材料、原始氢氧化物或氧化物。Fe的加入促进了与层状（氧）氢氧化物的有效OH−相互作用，生成缺陷并增强了催化剂的导电性，从而提高了整体性能[21]。氧化铈（CeO2）是最常见的铈化合物，常作为电催化材料的主要活性组分或促进剂。其流行原因在于它能够在Ce3+和Ce4+价态之间转换，有助于氧空位（OV）的形成或消除[22]。这种可逆转换使CeO2能够有效地充当氧气缓冲剂[23]。此外，Mg因其低成本、低毒性和多种高价氧化态而成为多种应用的理想材料，这些氧化态是水分解的关键活性位点。Mg的配位不饱和离子也表现出催化性能，引起了电催化领域的极大兴趣[24]。Fe和N物种在碳基底上的相互作用被认为可以增强Fe-N改性碳材料中的氧还原反应（ORR）活性，使其非常适合此类应用[25,26]。开发异质结结构是一种有效修改材料电子性质并提高其电催化性能的策略。这种增强作用是由于不同组分之间的强耦合效应，导致电子重新分布和电荷传递的改善。预计异质结的设计将进一步提高这些催化剂的电催化效率。
在这项研究中，通过一步水热法制备了FeCeMg-SH混合氧化物复合材料，并分别用于高效的水分解和染料降解。现有文献主要关注混合氧化物复合材料的电化学降解或电化学氢气生产的单独研究，很少有研究同时全面考虑这两个方面。制备的FeCeMg-SH复合材料在不同反应条件（包括反应时间、施加电压和重复使用性）下表现出优异的电化学性能和染料降解效率。此外，还使用LSTM和DFT的统计方法评估了复合材料的稳定性。
2022年4月，在韩国济州岛沿岸收集了Sargassum horneri（SH）样本。这些海藻由济州生物多样性研究所（韩国济州）鉴定。使用的化学品包括九水合硝酸铁(III)（Fe(NO3)36HO）、六水合硝酸铈(III)（Ce(NO3)3·6H2O）、尿素（CH4N2O）、六水合硝酸镁（Mg(NO3)2·6H2O）、甲醇（CH3OH）、氟化铵（NH4F）、氢氧化钾（KOH）、叠氮化钠（NaN3）、苯醌（C6H4O2）等。
FeCeMg-SH氧化物/氢氧化物催化剂的结构和相分析
图2展示了在不同SH质量比（10、20、30和40 mg）下制备的FeCeMg-SH催化剂的FE-SEM形态分析结果，以确定最适合电化学分析的电极。FeCeMg-SH（10 mg）电极形成的块状结构较差；而FeCeMg-SH（20 mg）电极则类似于碎石，具有巨大的块状晶体和明显的沟槽，具有多孔结构（如图2(a)和(b)所示）。图2(c)...
总之，本研究使用FeCeMg氧化物/氢氧化物催化剂结合SH表面生成了H2和O2，结果表明H2和O2的产量增加，CR染料的降解效果显著。FeCeMg-SH（30 mg）催化剂在100和300 mA/cm2的电流密度下，分别实现了最低的过电位值127.8 mV和226.3 mV（HER）以及223.6 mV和339.5 mV（OER）。此外，该催化剂表现出较高的耐久性，在12小时内性能稳定。
Rakesh Kulkarni：撰写——初稿、验证、方法论、数据整理。
Lakshmi Prasanna Lingamdinne：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。
Chhakchhuak Vanlalhmingmawia：撰写——初稿、软件应用、形式分析。
Santosh S. Sutar：撰写——审稿与编辑、验证、形式分析。
Swapnil R. Patil：撰写——审稿与编辑、验证、形式分析。
Surabhi B. Puthanveettil：验证、数据整理。
Yoon-Young Chang：
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由教育部资助（RS-2021-NR060112），以及光云大学的研究资助（-2025，韩国）。
