磁控共溅射法制备NiZr氧化物非晶/晶异质结提升碱性析氢反应性能

为解决碱性条件下析氢反应(HER)催化剂成本高、活性不足的问题，研究人员通过磁控共溅射技术调控NiZr氧化物的非晶/晶(a/c)异质结结构，发现a/c异质结在1 M KOH中表现出47 mV@10 mA cm?2的超低过电位和42 mV dec?1的塔菲尔斜率，其优异性能源于6.46 mF cm?2的电化学活性面积和3.6 Ω的低电荷转移电阻，为设计高效HER催化剂提供了新策略。

　　

氢能因其高能量密度和零碳排放特性被视为替代化石燃料的理想能源，但当前90%的氢制备依赖会产生CO₂的烃类重整工艺。电解水制氢虽环保，却受限于铂族催化剂在碱性介质中活性骤降2-3个数量级的问题。开发低成本、高活性的碱性HER催化剂成为关键挑战。金属氧化物虽具成本优势，却因导电性差和活性位点不足难以实用。非晶材料因具有丰富活性位点展现出潜力，但其导电性和稳定性缺陷制约了应用。

深圳大学的研究团队创新性地采用磁控共溅射技术，通过精确调控溅射时间（2-30分钟）和后续退火处理，成功制备出NiZr氧化物非晶/晶(a/c)异质结。研究发现，随着溅射时间延长，薄膜从晶态逐渐转变为a/c异质结结构，而退火过程会诱导结晶化。电化学测试表明，a/c异质结在1 M KOH中仅需47 mV过电位即可达到10 mA cm^?2的电流密度，塔菲尔斜率低至42 mV dec^?1，性能优于商业Pt/C（52 mV）。该催化剂在100小时稳定性测试中保持稳定，其优异性能归因于6.46 mF cm^?2的高电化学活性面积、1.19 H₂ s^?1的转换频率(TOF)和3.6 Ω的低电荷转移电阻。密度泛函理论(DFT)计算证实，a/c异质结具有比晶相更低的水解离能和氢吸附能，显著加速了HER动力学。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为通过溅射参数调控制备高性能异质结催化剂提供了范例。

关键技术方法
研究采用磁控共溅射系统（JGP-560）在镍泡沫基底上沉积NiZr薄膜，基底经丙酮和去离子水预处理。溅射参数包括：基压5×10^?4 Pa、工作气压3 Pa（氩气环境）、Ni/Zr靶材纯度99.95%、直流功率固定。通过改变溅射时间（2-30分钟）调控薄膜结构，部分样品进行退火处理。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)表征微观结构，电化学工作站测试HER性能，DFT计算揭示机理。

研究结果
HER performances
LSV曲线显示a/c异质结(NZ-30min)的η₁₀比晶态(NZ-2min)降低126 mV，塔菲尔斜率从98降至42 mV dec^?1。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻仅为晶态的1/3。CV测试获得的双电层电容(C_dl)表明a/c结构暴露更多活性位点。

Materials preparation
XRD和TEM证实短时间溅射形成晶态结构，延长至30分钟出现非晶相；退火后样品发生晶化转变，伴随HER活性下降，说明a/c结构对性能提升的关键作用。

Conclusions
该研究证明磁控溅射参数可精确调控氧化物a/c异质结的形成，其性能优势源于：1）非晶相提供高密度活性位点；2）晶相保障电子快速传输；3）异质界面优化水解离和氢吸附能。该策略可拓展至其他多元氧化物体系，推动低成本HER催化剂的工业化应用。

重要意义
这项工作首次系统研究了溅射时间对NiZr氧化物a/c异质结形成的调控规律，突破了传统金属氧化物催化剂的性能瓶颈。其创新点在于：1）开发出无需贵金属的碱性HER催化剂；2）揭示了非晶/晶协同增强机制；3）建立了溅射参数-结构-性能的定量关系。研究成果为氢能装备的国产化提供了关键技术支撑，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。