镍钼合金电沉积催化剂在酸性电解质中实现高效析氢反应及稳定性优化

《Journal of Fuel Chemistry and Technology》：Nickel-molybdenum alloy electrodeposited on nickel substrates for optimized hydrogen evolution reaction in acidic electrolytes

本研究针对酸性电解质中析氢反应铂基催化剂成本高昂、镍基催化剂循环稳定性和电化学活性不足的问题，报道了通过电沉积、热退火和电化学活化合成镍钼合金催化剂的新策略。该催化剂利用Ni3Mo和MoO2的协同作用，在0.5 mol/L H2SO4中实现了86 mV@10 mA/cm2的低过电位、74.0 mV/dec的塔菲尔斜率以及100小时无衰减的卓越稳定性，为设计高性能非贵金属电催化剂提供了有效途径。

　　

随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢能作为一种零碳排放的能源载体，其绿色制取技术备受关注。其中，通过电能驱动水分解产生氢气的技术，即电解水制氢，是实现氢能大规模应用的关键路径之一。在电解水技术的多种路线中，酸性环境下的质子交换膜（PEM）水电解器因其效率高、氢气纯度高、响应速度快等优点而展现出广阔的应用前景。然而，这项技术目前面临着一个核心挑战：其阴极的析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）高度依赖铂（Pt）等贵金属催化剂。铂的稀缺性和高昂成本严重制约了PEM水电解技术的大规模商业化推广。因此，开发高性能、高稳定性且成本低廉的非贵金属HER催化剂，成为该领域研究者们孜孜以求的目标。

在众多候选材料中，镍（Ni）基催化剂因其储量丰富和一定的催化活性而被广泛研究，有望成为铂的替代品。但遗憾的是，单纯的镍基催化剂在强酸性电解液中往往表现出较差的稳定性，其催化活性也远不及铂基催化剂。酸性环境会腐蚀镍催化剂，导致其快速失活，同时其固有的较高析氢过电位（即需要额外消耗更多电能才能驱动反应）也限制了其效率。这些“阿喀琉斯之踵”使得镍基催化剂在酸性HER中的应用步履维艰。为了解决这一难题，研究人员尝试将镍与其他金属（如钼Mo）合金化，以期通过电子结构的调控和协同效应来提升其综合性能。

针对上述挑战，发表在《Journal of Fuel Chemistry and Technology》上的这项研究，由来自中国科学院山西煤炭化学研究所碳材料重点实验室的王海波、吴泽林等研究人员共同完成。他们设计并制备了一种高性能的镍-钼（Ni-Mo）合金催化剂，旨在实现酸性介质中高效且稳定的析氢反应。该研究通过一系列精巧的实验设计和深入的表征分析，证实了所制备的Ni-Mo合金催化剂在活性和稳定性方面均取得了显著突破，为开发实用的非贵金属HER催化剂提供了新的思路和有力的实验证据。

研究人员为开展此项研究，主要应用了几个关键技术方法。首先，他们采用电沉积技术将镍钼合金直接制备在镍基底上，构建了催化剂的基本结构。其次，通过热退火处理对沉积后的材料进行晶相调控，以优化其催化活性位点。最后，利用电化学活化过程进一步提升了催化剂的表面状态和本征活性。整个研究过程围绕材料制备、结构表征和电化学性能测试展开，系统评估了催化剂的析氢过电位、塔菲尔斜率和长期循环稳定性等关键指标。

催化剂合成与表征

研究人员通过电沉积法在镍基底上成功制备了Ni-Mo合金前驱体，随后经过热退火和电化学活化处理得到最终催化剂。通过物相分析表明，催化剂中同时存在钼三镍（Ni₃Mo）和二氧化钼（MoO₂）两种物相，这种复合结构被认为是高性能的关键。

电化学性能评估

在0.5 mol/L H₂SO₄（硫酸）溶液中对催化剂的HER性能进行测试。结果表明，该Ni-Mo合金催化剂表现出优异的催化活性，达到10 mA/cm²（毫安每平方厘米）电流密度所需的过电位仅为86 mV（毫伏），表明其启动力学反应阻力小。同时，其塔菲尔斜率（Tafel slope）为74.0 mV/dec（毫伏每十倍频程），揭示了其高效的催化反应动力学机制。

稳定性测试

催化剂的长期稳定性是衡量其实际应用潜力的关键指标。研究人员对催化剂进行了长达100小时的持续电解测试。令人印象深刻的是，在整个测试周期内，催化剂的性能没有出现明显的衰减，显示出卓越的耐久性，这为其在苛刻的酸性环境中实际应用提供了重要支撑。

综上所述，本研究成功开发了一种通过电沉积、热退火与电化学活化相结合的策略，制备出具有Ni₃Mo和MoO₂复合结构的镍钼合金HER催化剂。该催化剂在酸性电解质中展现了与贵金属催化剂相媲美的高活性（低过电位和塔菲尔斜率）以及超乎寻常的长期稳定性。研究结论强调了Ni₃Mo与MoO₂组分间的协同相互作用是提升催化剂综合电化学性能的根本原因。这项工作的重要意义在于，它不仅提供了一种具体的高性能Ni-Mo合金催化剂实例，更重要的是展示了一条设计和制备用于酸性水电解的高效、稳定、非贵金属电催化剂的可行路径，对推动低成本制氢技术发展具有积极的促进作用。该研究成果为克服镍基催化剂在酸性介质中的稳定性瓶颈提供了新的解决方案，并为后续开发更先进的非贵金属电催化剂奠定了坚实的基础。