镍钨非晶合金薄膜的磁控溅射制备及其高效碱性析氢反应性能研究

本文通过磁控溅射技术制备了镍钨(Ni-W)非晶合金薄膜电极，系统研究了溅射功率对材料相结构和析氢反应(HER)性能的影响。研究发现，当W靶溅射功率增加时，材料呈现非晶化特征，其中Ni115W185合金表现出优异的HER性能：电荷转移电阻(Rct=1.5Ω)低，Tafel斜率(-34.2 mV dec-1)小，在1M KOH中仅需-41mV和-116mV过电位即可分别达到10和100 mA cm-2的电流密度。密度泛函理论(DFT)计算表明该材料能有效降低氢吸附和水解离能垒，且在500 mA cm-2(-271mV)和1000 mA cm-2(-366mV)大电流下仍保持稳定。

　　

Highlight
本研究采用高效快速的磁控溅射技术在泡沫镍(NF)基底上制备了Ni-W非晶合金，系统研究了溅射功率对相结构和析氢反应(HER)性能的影响。增加W靶溅射功率会导致非晶相形成。值得注意的是，Ni₁₁₅W₁₈₅合金展现出卓越的HER性能：具有低电荷转移电阻(R_ct=1.5Ω)、小Tafel斜率(-34.2 mV dec^-1)和显著降低的过电位。在1M KOH电解液中，该电极仅需-41mV和-116mV过电位即可分别达到10和100 mA cm^-2的电流密度。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算表明，Ni-W非晶合金能有效降低氢吸附和水解离过程的能垒。此外，该电极表现出卓越的稳定性，在500 mA cm^-2(-271mV)和1000 mA cm^-2(-366mV)的大电流密度下仍能保持稳定运行。详细表征显示，Ni₁₁₅W₁₈₅的优异稳定性可归因于HER过程中发生的电化学重构，这进一步增强了其催化性能和耐久性。

Introduction
利用可再生能源通过碱性电化学水分解制氢是解决能源和环境可持续性挑战的可行方案。绿色氢气通过清洁无污染的过程从丰富的水资源中生产，为减少对化石燃料的依赖和减轻环境污染提供了有前景的途径。尽管HER研究取得了重大进展，但大多数高性能HER电极仍使用贵金属如Pt和Ru，这些材料成本高且稳定性不足。因此，迫切需要开发具有优异性能和操作稳定性的非贵金属催化剂。过渡金属(包括Ni、Fe、Co和W)在地壳中含量丰富，是经济有效的替代品。值得注意的是，Ni具有与Pt相似的电子结构，使其成为Pt的理想替代品。然而，单独的Ni具有较高的水解离能垒，需要与其他元素结合以降低能垒，实现高效的水电解性能。Ni-W协同效应通过实验和理论计算证实可实现高效碱性HER。

非晶合金具有长程无序的原子排列和不饱和的原子配位，通常在电解液中呈现更大的接触面积和更多的活性位点，这对HER性能有利。与晶体材料相比，非晶合金表现出更优异的机械、物理和化学性能，如优异的耐腐蚀性、强度和表面活性，这些都直接影响其在碱性HER中的表现。快速凝固是制备非晶合金的常用方法。磁控溅射是一种广泛应用的物理气相沉积技术，越来越多地用于薄膜制备和催化材料领域。通过磁控溅射形成的薄膜具有极高的纯度、优异的附着力和均匀性，且成形过程无需粘合剂。与传统的水热合成和粉末催化剂相比，该技术形成的薄膜电极在工业条件下具有更优越的HER稳定性。通过改变溅射功率、溅射气体成分和压力、溅射温度和基底温度等参数，可以调整薄膜的结构(包括结晶度、薄膜附着力和均匀性)以优化薄膜催化剂的性能。此外，Ni和W元素的熔点差异很大，传统快速凝固方法难以制备Ni-W非晶合金。基于冷却速度快、薄膜结合强度高和导电性好的优势，磁控溅射技术可以快速高效地制备性能优异的HER电极。磁控溅射的冷却速率比传统快速冷却技术高3-6个数量级，已广泛应用于非晶合金的制备。在已提出的催化剂优化方案中，磁控溅射技术已在非晶合金化、晶体/非晶异质结形成、高熵合金制备以及相和界面工程调控方面发挥了重要作用。

Conclusions
总之，采用磁控溅射制备了一系列Ni-W合金，并确定在W含量为44%-100%的范围内可以形成非晶相。在所有Ni-W合金中，非晶Ni₁₁₅W₁₈₅表现出最佳的HER活性，具有34.2 mV dec^-1的低Tafel斜率，仅需-41mV、-116mV和-271mV的过电位即可分别达到10、100和500 mA cm^-2的电流密度。这些结果突显了Ni-W非晶合金在碱性HER中的优越性能。