中性pH条件下电聚合镍整合二吡咯甲烷作为电催化剂用于析氢反应的研究

本研究针对传统贵金属催化剂成本高、中性条件下析氢反应(HER)效率低的问题，开展了电聚合镍整合二吡咯甲烷(PPM)制备新型电催化剂的研究。通过循环伏安法在玻碳电极(GCE)上成功制备了PPM和Ni-PPM薄膜，表征证实镍的成功掺入。实验结果表明，Ni-PPM-GCE在中性介质中表现出优异的HER性能，过电位仅为420 mV，塔菲尔斜率为88 mV/dec，且具有良好稳定性。该研究为开发低成本、高效的非贵金属HER催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源需求的不断增长和化石燃料资源的快速消耗，寻找创新、可再生和高效的能源来源已成为当务之急。氢能作为一种无碳、高能量密度的燃料，通过水分解或质子还原产生，为可持续能源未来提供了有前景的解决方案。电化学水分解产生氢气和氧气，已成为生产清洁燃料和解决紧迫能源问题的可行方法。然而，电化学水分解需要克服过电位的问题，这主要受电极材料和介质pH值的影响。

目前，大多数高效的析氢反应(HER)催化剂基于贵金属(如铂)，但其高成本和稀缺性限制了大规模应用。因此，开发低成本、高活性的非贵金属HER催化剂成为研究热点。中性条件下的HER尤其具有吸引力，因为它能增强电极稳定性，并最大限度地减少酸性或碱性环境通常引起的电极材料侵蚀。

在这项发表于《Molecular Catalysis》的研究中，印度甘地格拉姆乡村研究所的研究团队开发了一种新型的电催化剂——镍整合聚吡咯甲烷(Ni-PPM)，用于中性pH条件下的析氢反应。研究人员通过循环伏安法(CV)技术在玻碳电极(GCE)上实现了5-(4-甲氧基苯基)二吡咯甲烷(DPM)的可控电聚合，形成聚吡咯甲烷(PPM)薄膜。随后，该薄膜通过Ni2?离子镍化并电化学还原为Ni?，最终形成镍整合聚吡咯甲烷(Ni-PPM)。

研究团队采用了多种关键技术方法：通过循环伏安法进行可控电聚合制备催化剂薄膜；利用X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)对材料进行表征；通过线性扫描伏安法(LSV)评估电催化性能；采用电化学阻抗谱(EIS)分析反应动力学；并通过计时安培法测试催化剂稳定性。

3.1. 电极修饰与表征

通过循环伏安法成功实现了DPM在玻碳电极上的电聚合，随着循环次数的增加，在1.15 V处电流密度增加，表明聚合物膜在电极表面的形成和生长。FT-IR光谱证实了PPM和Ni-PPM的成功制备，Ni-PPM在623 cm?1处出现新的N-Ni键特征峰。XPS分析进一步验证了镍的成功掺入，Ni2p谱显示852.4 eV(Ni2p3/2)和858.3 eV(Ni2p1/2)处的峰，分别对应零价和+2氧化态的镍。

3.2. PPM和Ni-PPM表面的SEM-EDX表征

SEM图像显示PPM薄膜呈现致密多孔的表面形貌，而Ni-PPM表面更加均匀。EDX谱图证实了镍元素的存在，AFM分析表明Ni-PPM薄膜(约0.8 μm)比PPM薄膜(约200 μm)更薄且更光滑，粗糙度范围为118-125 nm。

4. 电催化HER性能

HER性能评估显示，Ni-PPM-GCE在10个聚合循环时表现出最佳性能，过电位为420 mV，塔菲尔斜率为88 mV/dec。相比之下，15个循环的PPM-GCE过电位为477 mV，塔菲尔斜率为115 mV/dec。Ni-PPM-GCE的电化学活性面积(ECSA)为1.550 mF，是PPM-GCE(0.518 mF)的三倍，表明其具有更大的电化学活性表面。EIS分析显示Ni-PPM-GCE的电荷转移阻力(R_CT)为1676 Ω，显著低于PPM-GCE，表明其具有更快的电子传输速率。稳定性测试表明，两种催化剂在-1.0 V电位下持续24小时均保持良好稳定性。

该研究成功开发了一种新型的镍整合聚吡咯甲烷电催化剂，在中性条件下表现出优异的HER活性和稳定性。Ni-PPM-GCE的优异性能归因于镍的掺入增加了电化学活性面积，改善了电荷转移特性，并改变了反应机制(从Volmer机制转变为Volmer-Heyrovsky机制)。这项研究为开发低成本、高效的非贵金属HER催化剂提供了新策略，对推进可持续氢能生产具有重要意义。特别是催化剂在中性条件下的良好稳定性，为其实际应用提供了有力支持。未来研究可进一步优化聚合条件，探索其他过渡金属的掺入效果，以及在实际水分解装置中的性能表现。