非晶态Ni-W纳米棒薄膜实现高电流密度下稳定高效的碱性析氢反应

本文推荐一种通过磁控溅射技术快速制备的非晶态Ni-W合金薄膜电极，其在碱性析氢反应(HER)中表现出卓越性能：仅需-41 mV过电位即可达到10 mA cm?2电流密度，Tafel斜率低至34.2 mV dec?1，并在500 mA cm?2高电流密度下稳定运行200小时。该研究通过密度泛函理论(DFT)证实非晶结构能有效降低水解离能垒，为开发低成本高效电解水催化剂提供新思路。

　　

Highlight

非晶态Ni115W185合金展现出突破性HER性能：电荷转移电阻(R_ct)仅1.5 Ω，创纪录的Tafel斜率(-34.2 mV dec^?1)，在1 M KOH中实现10/100 mA cm^?2仅需-41/-116 mV过电位。更令人振奋的是，该电极在工业级500/1000 mA cm^?2超高电流密度下分别保持-271/-366 mV的稳定过电位，持续运行200小时无衰减！

Introduction

碱性电解水制氢技术正成为解决能源与环境问题的"绿色钥匙"。虽然贵金属(Pt/Ru)催化剂性能优异，但其高昂成本制约规模化应用。有趣的是，具有类Pt电子结构的镍(Ni)与钨(W)组合能产生神奇"协同效应"——理论计算显示这种搭配可大幅降低水解离能垒。更妙的是，非晶合金特有的"原子无序排列"结构就像布满口袋的魔术贴，能暴露出更多活性位点。

Samples preparation

实验团队采用"三步清洁法"处理泡沫镍基底，随后使用超高真空磁控溅射系统(冷却速率比传统方法高10⁶倍！)精准调控Ni/W靶材功率。这种"原子级乐高"技术可制备出成分可控的纳米棒阵列薄膜，无需粘结剂就能实现超强附着力。

Hydrogen evolution performance

电化学测试数据令人惊艳：随着W含量增加，催化剂逐渐"脱去晶格外衣"转变为非晶态。最佳配比的Ni115W185在10 mA cm^?2下的表现甚至超越商业Pt/C催化剂(-41 vs -45 mV)。原位表征揭开了性能奥秘——HER过程中W元素选择性溶出形成"非晶/晶态Ni-NiO异质结"，这种"自我进化"结构成为长效稳定的关键。

Conclusions

这项研究如同为工业电解槽装上了"双涡轮引擎"：一方面通过非晶化设计打开更多活性位点，另一方面利用电化学重构形成稳定异质界面。这种"制备-结构-性能"的闭环研究为下一代电解水催化剂开发提供了完美范本。