1. 背景
碱性水电解是当前最具产业基础的绿氢技术之一，但阴极析氢反应在碱性介质中需要先经历水解离，再进行氢中间体吸附与重组，动力学明显慢于酸性体系。Pt 仍是性能标杆，却面临成本高、碱性环境中本征活性不足以及大电流稳定性受限等问题。因此，如何在低贵金属用量下构筑高密度活性位、优化金属-载体界面并增强长期服役稳定性，是碱性 HER 催化剂设计的关键。
2. 论文概要
该工作提出脉冲焦耳热策略，在氮掺杂介孔碳上快速构筑混合价态 PtRu 纳米簇。与常规炉温退火相比，毫秒至秒级热冲击和快速冷却可抑制金属迁移烧结，并强化 Pt/Ru 与 N 掺杂碳之间的电子耦合。所得 PtRu/NMC-JH 在 1.0 M KOH 中达到 100 mA cm-2 仅需 50.4 mV 过电位，Tafel 斜率为 30.8 mV dec-1，并可稳定运行 100 h；装配零间距碱性水电解槽后，在 80 °C、30% KOH 中以 1.59 V 实现 0.5 A cm-2，并保持超过 800 h 稳定性，显示出从半电池到器件验证的完整性能闭环。
3. 图文解读
图1 | PtRu/NMC-JH 的脉冲焦耳热合成路线与结构示意
图1展示了“液相球磨预限域-真空干燥-脉冲焦耳热”的合成逻辑：Pt、Ru 前驱体先与 N 掺杂介孔碳充分接触，再通过 10 次快速热脉冲完成原位活化。该路线的核心不是简单升温，而是利用非平衡热过程在短时间内促进成核，同时通过快速冷却冻结小尺寸簇和 M-N 界面构型。
图2 | 脉冲焦耳热装置、SEM/STEM 形貌、SAED 与元素分布
图2证明了材料结构的两个关键点：一是高温脉冲后碳载体仍保持多孔片状形貌，有利于传质和活性位暴露；二是 HAADF-STEM 与 EDS 显示 Pt、Ru 在载体上高度均匀分散，SAED 未见明显金属或氧化物晶体衍射，说明焦耳热处理成功抑制了颗粒烧结并形成超细、低结晶度纳米簇。
图3 | XRD、XPS 总谱及 Pt 4f、Ru 3p、N 1s 精细谱
图3揭示了性能提升的电子结构来源：JH 样品的 XRD 仅呈现碳载体宽峰，而炉温样品出现 Pt 和 RuO2 晶相，说明常规退火更易发生热力学熟化；XPS 中 Pt 以高价 Pt4+ 为主，Ru3+/Ru4+ 比值升高，N 1s 出现 coordinated-N 信号，表明 N 掺杂碳向金属簇发生定向电子转移并形成 M-N 锚定，这类混合价态和强界面耦合有助于促进水解离和中间体转化。
图4 | 1.0 M KOH 中的 HER 活性、动力学、活性面积和稳定性
图4给出半电池性能证据：PtRu/NMC-JH 的 HER 极化曲线最靠近零电位，η100 仅 50.4 mV，优于商业 Pt/C 和单金属对照；30.8 mV dec-1 的 Tafel 斜率与更小电荷转移阻抗说明反应动力学更快；Cdl 达 147.3 mF cm-2，指向更高可接触活性面积；10000 圈 ADT 与 100 h CA 中电流保持稳定，进一步证明小尺寸 PtRu 簇并非牺牲稳定性换取活性。
图5 | 零间距 AWE 单池中的极化、电化学阻抗、效率和 800 h 耐久性
图5将材料性能推进到器件层面：以 IrO2 为阳极、PtRu/NMC-JH 为阴极的 AWE 单池，在 80 °C、30% KOH 中仅需 1.59 V 即达到 0.5 A cm-2，同时表现出更低的器件阻抗；在 0.5 和 1.0 A cm-2 下能量效率分别为 92.8% 和 86.7%，并在 0.5 A cm-2 恒流下稳定运行超过 800 h，说明脉冲焦耳热构筑的金属-载体界面可承受接近工业条件的长期工作负荷。
4. 总结展望
这篇工作最有价值之处在于把“超快热加工”与“贵金属簇界面电子调控”结合起来：脉冲焦耳热不仅缩小 PtRu 尺寸、提高原子利用率，还通过 N 掺杂碳锚定稳定混合价态活性中心，从而同时改善碱性 HER 活性、动力学和长期稳定性。后续若能进一步量化贵金属负载成本、放大制备一致性以及在更高电流密度和复杂水质中的寿命衰减机制，该策略有望成为低贵金属碱性电解槽阴极催化剂的重要设计方向。
技术观察
这篇论文展示了脉冲焦耳热在电催化材料快速热处理中的应用价值：通过短时高温脉冲与快速冷却，实现 PtRu 纳米簇构筑、金属-载体界面调控和催化稳定性提升。对于从事电催化、电解水、储能材料和功能薄膜研究的团队而言，焦耳热技术的意义不仅在于快速升温，更在于其对纳米结构、缺陷状态、界面结合和热处理一致性的调控潜力。深圳中科精研长期关注焦耳热装备与工艺开发，可围绕快速热处理、程序化脉冲加热、材料界面调控和实验工艺放大等需求，提供焦耳热实验平台与工艺方案支持。
说明：本文为公开论文的焦耳热技术路线解读，不涉及论文实验设备品牌背书或商业合作关系判断。
关键词：#碱性析氢、#脉冲焦耳热、#PtRu纳米簇
论文信息：Boosting Alkaline Hydrogen Evolution by Pulse Joule-Heating Activated PtRu Nanoclusters on N-Doped Mesoporous Carbon. Kenan Shen;Yang Qin;Heyong Zhu;Zheming Wang;Zhenshun Mo;Yanan Wang;Zhichuan Zheng;Kai Huang;Xiaotong Zhao;Peng Du. ISSN: 2574-0970 , 2574-0970; DOI: 10.1021/acsanm.6c01356. ACS applied nano materials. , 2026
