打开文本图片集

（基金项目：2024年校级大学生创新创业训练计划项目 ，项目编号：DC2024099）

摘 要：本研究采用高电流密度电沉积法在泡沫镍基底上成功制备了NiFe双功能电催化剂，并系统研究了其电解水性能。通过调控电沉积参数，优化了催化剂的形貌、组成及结构，利用电化学测试结果表明，所制备的NiFe/泡沫镍催化剂在碱性条件下表现出优异的析氧反应（OER）和析氢反应（HER）双功能催化活性。在10 mA cm⁻²的电流密度下，OER和HER的过电位分别为240 mV和120 mV，且具有优异的长期稳定性。此外，催化剂在全解水测试中展现出低电压和高效率的特点，表明其在电解水制氢领域具有广阔的应用前景。本研究为高效、低成本双功能电催化剂的设计与制备提供了新思路。

关键词：高电流密度；NiFe；长期稳定性；低电压

一、 引  言

随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，开发清洁、可持续的能源转换和存储技术成为当务之急。氢能作为一种高热值、零污染的清洁能源载体，被认为是未来能源结构转型的重要方向。电解水制氢技术能够将可再生能源产生的电能转化为氢能[1]，是实现氢能大规模应用的关键技术之一。然而，电解水过程中阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）动力学缓慢[2]，导致较高的过电位和能量损耗，严重制约了电解水制氢的效率和经济性。因此，开发高效、稳定、低成本的双功能电催化剂，以同时促进HER和OER反应，对于推动电解水制氢技术的实际应用具有重要意义。

近年来，过渡金属基催化剂，特别是镍铁（NiFe）基材料[3]，因其优异的OER催化活性和相对较低的成本，在电解水领域受到了广泛关注。研究表明，NiFe基催化剂中Ni和Fe之间的协同效应能够有效调节活性位点的电子结构，优化反应中间体的吸附能，从而显著提升OER性能。然而，NiFe基催化剂的HER活性相对较低，限制了其作为双功能催化剂的应用。为了克服这一挑战，研究者们尝试了多种策略，包括形貌调控、缺陷工程、杂原子掺杂等，以同时提升NiFe基催化剂的HER和OER活性。泡沫镍（NF）作为一种三维多孔导电基底[4]，具有比表面积大、导电性好、机械稳定性高等优点，为电催化剂的负载和反应传质提供了理想平台。将NiFe基催化剂负载于泡沫镍上，不仅能够有效提高催化剂的活性位点暴露程度，还能促进电子传输和气体扩散，从而进一步提升其电催化性能。电沉积法作为一种简单、高效、可大规模制备的催化剂合成方法[5]，能够通过调控沉积参数（如电流密度、沉积时间、电解液组成等）精确控制催化剂的形貌、组成和结构。高电流密度电沉积法能够在短时间内快速沉积大量活性物质，并诱导形成丰富的缺陷和活性位点，从而有望获得高性能的NiFe/泡沫镍双功能电催化剂[6]。

基于以上背景，本研究采用高电流密度电沉积法在泡沫镍基底上制备NiFe双功能电催化剂，系统研究沉积参数对催化剂形貌、组成、结构及电催化性能的影响规律，并探讨其催化机理。本研究旨在为开发高效、稳定、低成本的双功能电催化剂提供新的思路和方法，推动电解水制氢技术的实际应用。

二、试验材料及方法

（一）  试验材料及主要工艺设备

1.实验材料：实验材料选用泡沫镍和镍片，镍片尺寸为30mm×40mm×2 mm，泡沫镍尺寸为10mm×10mm×1mm。

2.实验设备：电子天平、超声清洗机、恒温水浴锅、真空干燥箱、电化学工作站、稳压恒流电源、饱和甘汞电极、石墨棒电极、四氟铂片电极夹

（二） 制备方法

1.基底预处理：

（1）镍片表面预处理

首先使用400CW至1000CW碳化硅砂纸对镍片表面逐级打磨，去除杂质、氧化层及有机污染物，获得光滑表面。再将打磨后的镍片在20% NaOH溶液中80℃水浴20分钟，去除残留氧化物和有机污染物，提升表面活性。最后碱洗后的镍片用去离子水冲洗，浸入10% HCl溶液处理1分钟，再用去离子水和无水乙醇清洗，氮气吹干。保存预处理镍片，用于电沉积实验。

（2）泡沫镍基底预处理

将裁剪至所需尺寸的泡沫镍浸入10% （v/v） HCl溶液中，在40kHz频率下超声清洗20分钟。随后，分别使用去离子水和无水乙醇进行10分钟超声清洗。清洗后的泡沫镍置于真空干燥箱中，在60℃条件下干燥2小时。预处理完成的泡沫镍储存于密封袋中，待用于后续电沉积实验。

2.电沉积过程

（1）电镀液制备

（2）电沉积过程

① 电沉积溶液的配制

电沉积溶液主要由硫酸亚铁和硫酸镍组成，提供Fe²⁺和Ni²⁺离子。添加氯化钠优化电导率，调节pH值至4.0±0.1以稳定金属离子。柠檬酸钠作为表面活性剂去除氧化层，提高表面活性和沉积均匀性。硼酸作为缓冲剂稳定pH值和降低过电位。

② 电沉积实验设计

本实验以电流密度为变量，设计了1.5 A/cm²、2.0 A/cm²和2.5 A/cm²三个梯度。在恒温40℃和沉积时间200 s的条件下进行电沉积实验。沉积完成后，所有样品依次用去离子水和无水乙醇交替清洗三次，以去除表面残留的电解质和杂质。

（3） 电沉积实验步骤

① 电极连接：将处理后的镍片和泡沫镍分别作为阳极和阴极，用铜钩和镍钩连接至电解池电极。确保泡沫镍完全浸没于电沉积溶液中，保证沉积均匀。

电沉积过程：开启直流电源，调节电流至1.5 A/cm²、2.0 A/cm²或2.5 A/cm²，保持恒定电流。维持溶液温度在40℃±1℃，持续搅拌以确保溶液均匀。

沉积结束：达到200秒后，逐步降低电流至零，关闭电源。取出样品，用去离子水和无水乙醇冲洗，去除残留电解质和杂质。

样品后处理：用冷风吹干样品，封装于密封袋中，避免氧化。样品可用于后续性能测试。

（三）分析与讨论

1. 电化学性能分析

（1）线性扫描伏安法（LSV）

在LSV测试中，随着电位的增加，电流密度也随之增加。这种现象反映了电催化剂在析氢反应中的活性。通过比较不同电位下的电流密度，可以评估NiFe合金镀层的析氢速率和能力。起始电位与过电位分析：在相同的电沉积时间、温度等外部条件下，2.0A/cm²达到相同电流密度所需的过电位最小。这表明2.0A/cm²在较低的过电位下即可实现高效的析氢反应，说明其电催化析氢性能优于1.5A/cm²和2.5A/cm²；通过观察LSV测试中电流密度随时间的变化，电流密度在长时间内保持相对稳定，说明NiFe合金镀层具有较好的稳定性，适合长期应用。

Tafel斜率分析：Tafel斜率的意义：Tafel斜率是评估电催化HER动力学的重要参数。较低的Tafel斜率表明催化剂的反应动力学更快，效率更高。2.0A/cm²的性能：根据极化数据计算得出的Tafel斜率值显示，2.0A/cm²的斜率值大于其他条件（1.5A/cm²和2.5A/cm²）。这表明2.0A/cm²在析氢反应中具有更优异的催化性能，进一步验证了其在LSV测试中的表现。

综合分析N-2.0的优异性能：综合LSV和Tafel斜率分析结果，2.0A/cm²在较低的过电位下表现出较高的电流密度，并且具有较低的Tafel斜率，说明其在析氢反应中具有优异的催化活性和反应动力学；稳定性：2.0A/cm²在长时间测试中表现出稳定的电流密度，表明其具有良好的稳定性，适合在实际应用中长期使用。

（2）电化学阻抗谱（EIS）

如图4 EIS曲线HER的Nyquist曲线，此图表展示了不同电流密度下的电化学阻抗谱（EIS），用于评估电催化剂在析氢反应（HER）中的电化学行为。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，电荷转移电阻（Rct）：在EIS图中，高频区的半圆通常与电荷转移电阻相关。较小的半圆直径表示较低的电荷转移电阻，意味着催化剂表面具有更快的电荷转移速率，这对于高效的HER至关重要。EIS数据反映了催化剂在HER中的电化学活性。较低的阻抗值通常表示催化剂具有更好的电荷转移能力和更高的催化活性。2.0A/cm²条件下观察到的电荷转移电阻最小，这表明2.0A/cm²在HER中具有更快的电荷转移速率和更高的催化活性。

（3）循环伏安法（CV）

扫描速率的变化反映了催化剂在不同动力学条件下的表现，通过分析不同扫描速率下的峰电流密度，可以推断反应是由扩散控制还是电荷转移控制。多次扫描的CV曲线重叠性较好，表明催化剂在析氢反应中具有较好的稳定性。通过分析CV曲线的形状和峰电流密度，可以推断催化剂表面反应活性位点的数量和质量。较高的峰电流密度通常表明催化剂表面具有更多的活性位点。从图5中可以看出在不同电位范围内不同扫描速度下没有出现峰值偏移、峰电流变化等现象，从而得出泡沫镍双功能电催化剂在不同电位范围内都表现出良好的稳定性。

三、试验结论

（一）电沉积法制备NiFe/NF催化剂及其成分分析

通过电沉积法成功制备了NiFe/NF二元合金电催化剂。实验表明，随着电流密度的增加，泡沫镍骨架表面形貌逐渐粗糙化，且表面颜色显著加深，表明电流密度的提高促进了Ni、Fe元素在泡沫镍表面的沉积。EDS成分分析进一步证实了Ni、Fe元素已成功沉积于泡沫镍基底上，且沉积量随电流密度的增加而增加。

（二）电化学性能分析

电化学测试结果表明，NiFe/NF电催化剂在HER和OER反应中均表现出较低的过电位和起始电位，尤其是在试样尺寸为1 cm × 1 cm、电流密度为2.0 A/cm²条件下制备的催化剂，其过电位和起始电位最低，表现出最优的催化活性。循环伏安法（CV）测试显示，在不同电位范围和扫描速率下，未观察到明显的峰值偏移或峰电流变化，表明NiFe/NF催化剂在宽电位范围内具有优异的电化学稳定性。此外，较大的电化学活性表面积（ECSA）表明催化剂表面具有丰富的活性位点，这有助于显著提升HER和OER反应的催化效率。

综上所述，本研究通过优化电沉积条件，成功制备了具有优异HER和OER性能的NiFe/NF电催化剂。电流密度为2.0 A/cm²时，催化剂表面形貌最为致密且均匀，同时表现出最低的过电位和起始电位，以及优异的电化学稳定性。这些结果为高性能双功能电催化剂的设计与制备提供了重要的实验依据和理论指导。

参考文献

[1]杨志.自支撑非贵金属基纳米阵列的构筑及电催化水裂解性能的研究[D].中北大学，2020.DOI：10.27470/d.cnki.ghbgc.2020.000381.

[2]张正，宋凌珺.电解水制氢技术：进展、挑战与未来展望[J].工程科学学报，2025，47（02）：282-295.DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2024.06.03.004.

[3]伍慧，张强，刘乾锋，等.镍铁基析氧催化剂及其电解海水制氢应用研究[J].功能材料与器件学报，2024，30（05）：225-232.DOI：10.20027/j.gncq.2024.0036.

[4]张翔.三维自支撑催化电极的制备及其电解水性能研究[D].中国科学技术大学，2024.DOI：10.27517/d.cnki.gzkju.2024.000815.

[5]梁岩.镍铁基析氧电催化剂的快速制备及其性能研究[D].东南大学，2022.DOI：10.27014/d.cnki.gdnau.2022.003370.

[6]李作鹏， 杨肖萌， 刘翠， 等. 高效NiFe基/泡沫镍电催化剂在析氧反应中的研究进展[J]. 山西大同大学学报（自然科学版）， 2020， 36（02）： 1-3+21+105.