NiCo电沉积涂层的双功能特性评估：基底、Ni/Co比例与磷掺杂的协同效应对HER和OER的影响

本研究针对绿色氢能生产中的关键瓶颈，通过电沉积法制备NiCo(P)双功能催化剂，系统考察了基底类型（Ni泡沫/Fe钢板）、Ni/Co比例（70/30-30/70）和磷掺杂的协同作用。研究发现Ni50Co50P/FS在10 mA cm-2电流密度下表现出卓越的HER（η=23 mV）和OER（η=400 mV）活性，其三维微观结构提供了丰富的活性位点，为低成本非贵金属电解水催化剂设计提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，绿色氢能作为实现碳中和的关键载体备受关注。然而，电解水制氢技术仍面临两大挑战：贵金属催化剂成本高昂，以及析氧反应(OER)的动力学迟缓导致能耗过高。尽管过渡金属镍钴(NiCo)合金已被证明具有替代潜力，但其双功能性能与基底材料、元素比例及掺杂效应的协同机制尚不明确，且传统制备方法往往复杂低效。

针对这些问题，保加利亚科学院催化研究所（Institute of Catalysis, Bulgarian Academy of Sciences）的研究团队创新性地采用一步电沉积技术，在商用镍泡沫(NF)和铁基钢板(FS)上构建了系列NiCo(P)催化剂。通过精确调控Ni/Co重量比（70/30、50/50、30/70）和磷掺杂，成功开发出在工业级电流密度(100 mA cm^-2)下仍保持高活性的双功能电极，相关成果为低成本电解槽设计提供了重要参考。

研究团队主要运用了以下关键技术：1）可控电沉积合成不同Ni/Co比例的涂层；2）X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析晶体结构与表面电子态；3）场发射扫描电镜-能谱联用(FE-SEM-EDS)表征三维形貌与元素分布；4）电化学工作站测试HER/OER过电位等性能指标。

3.1 电催化性能评估

通过极化曲线测试发现，Ni₃₀Co₇₀/NF在HER反应起始电位最低，而Ni₅₀Co₅₀/FS展现最佳OER动力学。磷掺杂使Ni₅₀Co₅₀P/FS的HER过电位降低至23 mV，媲美铂基催化剂，但Ni₃₀Co₇₀P/NF因表面氧化导致活性下降。高电流密度(100 mA cm^-2)测试显示，Ni₅₀Co₅₀P/FS的η_HER=103 mV和η_OER=498 mV，证实其工业应用潜力。

3.2 结构与形貌解析

XRD揭示Ni₅₀Co₅₀P/FS形成非晶态Co_3.6Ni_0.4P₄相，而NF基底涂层为Co_0.75Ni_0.25固溶体。FE-SEM显示磷掺杂诱导FS基底产生独特的微米级球状结构（>1 μm），其间隙促进传质；EDS线扫描证实Ni₅₀Co₅₀P涂层厚度约5.1 μm且元素分布均匀。XPS证实Ni₅₀Co₅₀P/FS表面保留金属态Ni/Co，而Ni₃₀Co₇₀P/NF则完全氧化形成钝化层。

3.3 性能对比与机制

与文献报道的复杂制备工艺（如NiCo₂P@碳需碳化-磷化两步法）相比，本研究通过简易电沉积获得的Ni₅₀Co₅₀P/FS在HER活性上更具优势（100 mA cm^-2时η_HER=103 mV vs 文献192 mV）。其优异性能归因于：1）磷原子电负性优化质子吸附；2）球状形貌增加活性位点暴露；3）Fe钢板基底的成本优势。

这项研究不仅证实了电沉积法在制备高性能NiCoP催化剂方面的独特优势，更通过基底-组分-形貌的协同设计，为开发适用于工业化电解槽的非贵金属双功能电极提供了明确方向。未来通过优化磷掺杂浓度和界面工程，有望进一步缩小与贵金属催化剂的OER性能差距，推动绿色制氢技术的规模化应用。