直接在镍泡沫上生长MoNi?/MoO?薄膜，以实现高效的氢气析出反应

《Inorganic Chemistry Communications》：Directly growing MoNi 4/MoO 2 on Ni foam for efficient hydrogen evolution reaction

低过电位和高稳定性的MoNi4/MoO2@NF催化剂通过调控酸蚀与还原工艺获得，其结构为钼镍合金纳米颗粒与钼氧化物纳米杆异质界面结合，在1.0 M KOH中实现198 mV过电位@1000 mA/cm2和100小时高电流稳定性。

　　氢气的生产是实现清洁能源转型的重要途径之一，特别是在全球对可再生能源需求日益增长的背景下。水电解技术，作为一种将水分子分解为氢气和氧气的方法，因其环境友好性而备受关注。然而，这一过程中的氢气析出反应（HER）在碱性环境中仍面临反应动力学缓慢、催化剂成本高以及稳定性不足等挑战。为了解决这些问题，研究者们正在积极开发新型的高效、低成本且稳定的电催化剂，以提升水电解的效率和可行性。

在这一研究领域，金属合金和金属氧化物的组合被广泛视为一种有前景的解决方案。特别是镍-钼（Ni-Mo）合金，因其独特的电子结构和催化性能，被认为具有类似铂（Pt）的活性，但成本更低，更适用于大规模工业应用。此外，钼氧化物（如MoO?）也因其在电子传导和活性位点数量方面的优势，成为替代贵金属催化剂的重要材料。这些材料的协同作用可以有效优化HER的反应路径，从而提高催化效率。

目前，大多数Ni-Mo基催化剂的制备主要依赖于电沉积或粉末合成方法，但这些方法往往存在活性位点暴露不足和粒子聚集的问题，尤其是在高电流密度条件下。因此，如何通过合理的结构设计和界面调控，提高这些催化剂的性能和稳定性，成为当前研究的重点。同时，对Ni和Mo在HER中的具体作用机制仍不完全清楚，这在一定程度上限制了其实际应用。

在这一背景下，本研究提出了一种新的合成策略，通过在镍泡沫（NF）上直接生长MoNi?/MoO?复合结构，构建了一种具有高催化活性和稳定性的电催化剂。NF作为3D导电基底，不仅提供了良好的支撑作用，还能通过酸蚀等手段释放镍离子，为催化剂的形成提供必要的原料。此外，通过调控不同浓度的铵钼酸（AHM）溶液，可以优化反应条件，从而实现对催化剂组成和性能的精确控制。

本研究中，首先通过将NiMoO?的中间产物负载到NF上，并在特定的酸性反应条件下进行水热蚀刻，形成了NiMoO?@NF-X（X表示AHM溶液的浓度，分别为0、0.0081、0.0162和0.0243 M）的前驱体。随后，在氢气-氩气氛围下进行热还原处理，最终获得了MoNi?/MoO?@NF-X复合材料。这种材料具有独特的花粉状结构，其中MoNi?合金纳米颗粒与MoO?纳米棒之间形成了清晰的异质界面，并且牢固地锚定在NF基底上。

实验结果表明，其中MoNi?/MoO?@NF-0.0162催化剂表现出优异的HER性能。在1.0 M KOH溶液中，该催化剂仅需198 mV的过电位即可达到1000 mA cm?2的高电流密度，显示出极高的催化效率。此外，该催化剂在350 mA cm?2的电流密度下，经过100小时的稳定性测试，表现出几乎无衰减的耐久性，进一步验证了其在工业应用中的潜力。

从性能分析来看，这种催化剂的优异表现主要得益于其高电化学活性表面积、低电荷转移电阻以及金属MoNi?与金属氧化物MoO?之间的协同效应。高活性表面积意味着更多的催化位点可以参与反应，从而提高反应速率。低电荷转移电阻则表明电子在催化剂表面的传输效率较高，有助于降低反应所需的能量输入。而金属与氧化物之间的协同作用，能够优化氢气的吸附和脱附过程，提高整体催化效率。

为了进一步理解这种催化剂的结构和性能，研究者们对材料的形貌和结构进行了详细的表征分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等技术，可以观察到NiMoO?@NF-X前驱体在NF基底上的分布情况，以及热还原后形成的MoNi?/MoO?@NF-X复合材料的微观结构。SEM图像显示，材料表面呈现出规则的花粉状结构，其中MoNi?合金纳米颗粒均匀分布在MoO?纳米棒之间，形成了一种具有多级结构的复合体系。这种结构不仅提供了更多的活性位点，还增强了催化剂的机械强度和导电性。

XRD分析进一步证实了材料的晶体结构和组成。结果表明，经过热还原处理后，NiMoO?的结构发生了显著变化，其中MoNi?合金纳米颗粒的形成使得材料的晶格参数发生了变化，从而影响了其电子结构和催化性能。同时，MoO?纳米棒的形成表明材料在热还原过程中保持了良好的氧化态，这有助于提高其在碱性环境中的稳定性。

此外，研究者们还对催化剂的表面化学性质进行了分析。通过X射线光电子能谱（XPS）和电化学测试等手段，可以观察到催化剂表面的元素组成和化学状态。结果表明，MoNi?/MoO?@NF-0.0162催化剂表面存在丰富的Ni和Mo元素，这些元素在碱性条件下能够有效促进水分子的分解和氢气的生成。同时，XPS分析还揭示了催化剂表面的电子分布情况，表明MoNi?合金纳米颗粒与MoO?纳米棒之间形成了良好的电子相互作用，这有助于优化催化过程。

在电化学性能测试中，研究者们使用了线性扫描伏安法（LSV）和计时电流法（Tafel）等方法，评估了催化剂在不同电流密度下的HER性能。LSV测试结果表明，MoNi?/MoO?@NF-0.0162催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出优异的催化活性，其过电位显著低于其他浓度的催化剂。同时，Tafel斜率分析进一步表明，该催化剂的反应动力学优于传统催化剂，显示出较高的反应速率。

为了进一步探讨催化剂的稳定性，研究者们进行了长期的HER测试。在350 mA cm?2的电流密度下，该催化剂在100小时的测试中表现出几乎无衰减的性能，这表明其在工业应用中的耐久性较高。此外，通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）等手段，研究者们还评估了催化剂在不同循环次数下的电化学性能，结果表明其在长时间运行中仍能保持较高的催化活性和稳定性。

从应用角度来看，这种新型的MoNi?/MoO?@NF催化剂为水电解技术提供了重要的技术支持。特别是在大规模工业应用中，其高催化活性和稳定性使其成为替代贵金属催化剂的理想选择。此外，由于其结构设计合理，能够有效避免活性位点的暴露不足和粒子聚集问题，因此在高电流密度条件下仍能保持良好的催化性能。

在实际应用中，这种催化剂可以用于各种水电解装置，如碱性电解槽和质子交换膜（PEM）电解槽。通过优化其结构和组成，可以进一步提高其在不同反应条件下的适应性，从而扩大其应用范围。此外，由于其制备方法相对简单，成本较低，因此在工业规模化生产中具有较高的可行性。

从技术发展角度来看，本研究的成果为未来电催化剂的设计和开发提供了新的思路。通过结合金属合金和金属氧化物的优势，构建具有多级结构的复合催化剂，可以有效提升其催化性能和稳定性。此外，通过调控反应条件和材料组成，可以进一步优化催化剂的性能，使其更适应实际应用需求。

为了进一步推广这种催化剂的应用，研究者们还对催化剂的制备方法进行了优化。通过调整AHM溶液的浓度和反应时间，可以控制催化剂的组成和结构，从而实现对催化性能的精确调控。此外，通过引入不同的合成方法，如水热法和溶剂热法，可以进一步提高催化剂的均匀性和稳定性。

在实际应用中，这种催化剂不仅可以用于氢气的生产，还可以用于其他与水相关的反应，如水的裂解和氢气的储存。通过对其性能的进一步研究，可以探索其在更多应用场景中的潜力，从而推动水电解技术的发展。

综上所述，本研究通过一种创新的合成策略，成功构建了一种高效、稳定且成本较低的电催化剂，为水电解技术的发展提供了重要的技术支持。该催化剂在碱性环境中表现出优异的HER性能，其高催化活性和稳定性使其成为替代贵金属催化剂的理想选择。此外，其结构设计合理，能够有效避免活性位点的暴露不足和粒子聚集问题，从而在高电流密度条件下保持良好的催化性能。这些成果不仅为未来的电催化剂设计提供了新的思路，也为水电解技术的工业应用奠定了坚实的基础。