镍钨合金电沉积制备及其在碱性析氢反应中的高效催化性能研究

针对碱性条件下析氢反应(HER)过电位高、催化剂成本昂贵的问题，研究人员通过调控电沉积参数制备了不同钨(W)含量的Ni-W合金薄膜。研究发现Ni76 W24 涂层具有170 mV低过电位和74.8 mV·dec?1 的塔菲尔斜率，其非晶结构和金属态Ni0 /W0 的协同作用显著提升HER性能，为开发高效廉价电解水催化剂提供了新思路。

　　

在全球能源需求持续增长与环境问题日益严峻的背景下，氢能因其高能量密度和零碳排放特性成为未来能源体系的关键组成部分。然而，大规模制氢仍面临成本与效率的挑战，其中电解水制氢技术（特别是析氢反应，HER）因工艺简单和环境友好而备受关注。但HER过程需要克服较高的过电位，这使得开发高效稳定的电催化剂成为研究重点。

过渡金属合金，尤其是镍基合金，因其优异的电催化性能和成本优势在HER领域广受关注。其中，镍钨(Ni-W)合金因其独特的电子结构和化学稳定性展现出卓越的催化活性。然而，钨作为难熔金属难以单独沉积，通常需要与镍等过渡金属共沉积。此外，过高的钨含量会导致涂层内应力积累，引发开裂或剥离，进而损害催化性能。因此，如何通过电沉积技术制备高质量、均匀且具有高效催化性能的Ni-W合金涂层成为研究的关键挑战。

针对上述问题，研究人员通过调整电沉积参数，系统研究了Ni-W合金涂层的制备及其HER性能。研究发现，通过优化电解质组成和沉积条件，可有效控制涂层的微观结构和化学组成。特别是钨含量为24 at%的Ni₇₆
W₂₄
涂层表现出均匀的蜂窝状微观结构、30.13%的高沉积效率和非晶结构，从而展现出优异的HER性能。XPS分析表明，在HER过程中，Ni²⁺
和W⁶⁺
氧化物被还原为金属态Ni⁰
和W⁰
，显著提升了电催化活性。电化学测试显示，优化后的Ni-W涂层具有170 mV的低过电位、74.8 mV·dec^?1
的塔菲尔斜率、优异的电化学活性表面积和最低的电荷转移电阻。这些性能显著优于未修饰的镍电极样品，表明通过控制钨含量和沉积条件可显著提升HER性能。

关键实验方法
研究采用电沉积技术在铜基底上制备Ni-W合金涂层，通过调整镍盐浓度、钨酸盐浓度和络合剂比例优化涂层性能。利用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)分析涂层形貌和元素分布，X射线光电子能谱(XPS)表征化学状态，电化学测试评估HER性能。

电沉积
通过调节镍硫酸盐、钨酸钠和柠檬酸钠的浓度，研究人员成功制备了不同钨含量的Ni-W合金涂层。铜基底经过严格的预处理以确保涂层质量。

结构表征
SEM和EDS分析显示，Ni₈₉
W₁₁
涂层表面光滑，晶粒细小均匀；而Ni₇₆
W₂₄
涂层呈现典型的非晶态蜂窝结构，钨分布均匀。XPS证实了金属态Ni⁰
和W⁰
的存在，这对HER活性至关重要。

电化学性能
Ni₇₆
W₂₄
涂层表现出最佳的HER性能，其低过电位和塔菲尔斜率归因于非晶结构和金属态活性位点的协同作用。电化学阻抗谱显示该涂层具有最低的电荷转移电阻，表明其优异的电荷传输能力。

结论与意义
该研究通过优化电沉积参数成功制备了高性能Ni-W合金涂层，系统阐明了钨含量与HER性能的关系。Ni₇₆
W₂₄
涂层的优异性能源于其非晶结构和金属态活性位点的协同效应，为开发高效、低成本的HER催化剂提供了重要参考。研究还指出，平衡钨含量与沉积效率是制备高性能Ni-W涂层的关键，这一发现对推动电解水制氢技术的实际应用具有重要意义。论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》，为相关领域的研究提供了新的思路和方法。