Au/Ag/Cu掺杂NiWO4催化剂实现碱性全水解超长程稳定的电子转移机制研究

本研究针对碱性条件下NiWO4催化剂HER（氢析出反应）活性不足的问题，通过IB族金属（Au/Ag/Cu）掺杂调控电子结构，开发出Au3/NiWO4（过电位86.11 mV）和Ag3/NiWO4（Tafel斜率64.32 mV dec?1）双功能催化剂，在1.0 M KOH中实现150小时稳定产氢，为可再生能源存储提供新策略。

　　

氢能作为21世纪最具潜力的清洁能源，其高效制备技术是解决能源危机的关键。然而，传统电解水技术面临催化剂过电位高、稳定性差等瓶颈，尤其是碱性条件下镍基催化剂的氢析出反应(HER)动力学缓慢。更棘手的是，阳极氧析出反应(OER)存在催化剂失活问题，导致整体水分解效率受限。现有贵金属催化剂（如Pt、IrO₂）成本高昂，而廉价金属催化剂又难以兼顾活性与耐久性。

针对这一挑战，中国研究人员选择具有独特WO₆/NiO₄共顶点链结构的NiWO₄为基底，通过IB族金属（Au/Ag/Cu）原子级掺杂，构建了兼具高活性和超长稳定性的新型催化剂。研究发现，Au原子作为质子载体可优化H₂吸附能，Ag则通过促进Ni³⁺生成加速电子转移，而Cu虽受H⁺竞争吸附影响仍贡献协同效应。这种"双位点激活"策略使催化剂在1.0 M KOH中实现86.11 mV的低过电位和115.16 mV dec^?1的Tafel斜率，且全水解系统在10 mA cm^?2下稳定运行100小时仅需1.45 V电压。该成果发表于《Molecular Catalysis》，为设计非贵金属双功能催化剂提供了电子结构调控的新范式。

关键技术方法
研究采用水热法合成NiWO₄纳米材料，通过原位还原将IB金属原子锚定在WO₆八面体间隙。利用XRD确认晶体结构偏移（2θ角右移），结合电化学测试（LSV、EIS）评估HER/OER性能，并通过持续电解实验验证稳定性。采用三电极体系在1.0 M KOH中测试，以Hg/HgO为参比电极，Pt片为对电极。

研究结果

1. 材料表征
   XRD显示IB金属掺杂未改变NiWO₄单斜晶系结构（空间群P₂/c），但引起晶格收缩导致衍射峰右移，证实IB原子成功掺入Ni位点。

2. 电催化性能
   Au₃/NiWO₄在10 mA cm^?2电流密度下过电位较纯NiWO₄降低63%，Ag₃/NiWO₄的Tafel斜率优于商业Pt/C（64.32 vs. 120 mV dec^?1），表明Ag促进电荷转移动力学。

3. 稳定性机制
   氧空位测试证实IB金属诱导的电子转移稳定了Ni³⁺/W⁶⁺氧化态，150小时电解后催化剂ECSA（电化学活性面积）仅衰减9.8%，归因于Au-NiWO₄单键结构的机械稳定性。

结论与意义
Min Yang团队通过"金属-氧空位"双激活策略，首次实现NiWO₄在强碱环境下的长效催化。该研究不仅阐明IB金属通过调控ΔG_H*（氢吸附自由能）和加速Ni³⁺/Ni²⁺循环的作用机制，更开创了利用廉价金属替代贵金属催化剂的新路径。其设计的Au₃/NiWO₄‖Ag₃/NiWO₄耦合系统，为工业化大规模制氢提供了兼具经济性和可靠性的解决方案。