优化球磨法合成高效NiMo双金属电催化剂用于碱性条件下析氢反应

研究人员针对碱性条件下析氢反应(HER)电催化剂成本高、性能不足的问题，通过优化球磨工艺开发了NiMo双金属纳米结构电催化剂。研究发现"共磨"法制备的催化剂在1 M KOH中仅需100 mV过电位即可达到10 mA cm-2电流密度，性能显著优于"分磨"样品(250 mV)。该研究为绿色氢能生产提供了高效、低成本的电催化剂解决方案。

　　

在全球能源转型和碳中和背景下，绿色氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，电解水制氢技术面临的关键瓶颈在于：目前最高效的析氢反应(HER)电催化剂依赖贵金属(如Pt)，其高昂成本和稀缺性严重制约了规模化应用。虽然过渡金属基催化剂(如Ni、Mo)成本较低，但其活性和稳定性往往不尽如人意。特别是碱性条件下HER动力学缓慢，需要开发新型高效催化剂来降低过电位和能耗。

针对这一挑战，意大利卡塔尼亚大学"Ettore Majorana"物理与天文系(Università di Catania, Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana")的研究团队创新性地采用工业废料Mo/MoO_x粉末与商业Ni粉为原料，通过优化球磨工艺制备了高性能NiMo双金属电催化剂。这项发表在《International Journal of Hydrogen Energy》的研究比较了两种球磨策略："分磨后混合"与"共磨"，发现后者制备的催化剂在1 M KOH中仅需100 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，性能显著优于前者(250 mV)，为绿色氢能生产提供了高效、低成本的电催化剂解决方案。

研究人员采用球磨法制备催化剂，通过SEM观察形貌，XPS和Raman分析化学组成，电化学工作站测试HER性能，EIS研究电荷转移特性。特别比较了"分磨后混合"与"共磨"两种工艺对催化剂性能的影响。

3.1. 电极制备与表征

通过SEM观察发现，"共磨"样品形成了更均匀的NiMo纳米结构，Mo颗粒均匀嵌入Ni基体中；而"分磨"样品中Mo颗粒仅附着在Ni颗粒表面。XPS分析证实"共磨"样品中存在Ni-Mo合金特征峰，并检测到Mo⁰的生成，表明球磨过程中发生了MoO₃的还原反应。Raman光谱进一步显示"共磨"样品中α相NiMoO₄占主导，这种结构更有利于HER。

3.2. 析氢反应电催化活性

电化学测试显示，"共磨"催化剂在1 M KOH中仅需100 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，远优于"分磨"样品(250 mV)。虽然"共磨"样品的Tafel斜率较高(240 mV dec^-1)，但EIS分析表明其电荷转移电阻(R_ct)更低，说明电子传输更高效。13.5小时稳定性测试显示过电位增长率为3.5 mV h^-1，表明催化剂在碱性条件下具有较好稳定性。

这项研究通过系统比较两种球磨策略，证明"共磨"工艺能更有效地促进Ni-Mo合金形成，优化电子结构，从而显著提升HER性能。研究不仅为工业废料高值化利用提供了范例，更为设计高效双金属电催化剂提供了重要指导。特别是该工艺简单、可扩展，具有工业化应用潜力，对推动绿色氢能发展具有重要意义。未来研究可进一步优化催化剂稳定性，或通过引入第三元素来调控电子结构，有望获得性能更优异的HER电催化剂。