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电解镍基催化剂在析氢反应中的设计策略、性能优化与工业化路径
2025-04-241. 背景与科学意义
氢能被视为实现碳中和的核心能源载体，而电解水制氢是绿色氢能生产的关键技术。析氢反应（HER）作为电解水的半反应，其动力学缓慢，传统依赖铂基催化剂，但高昂成本限制了规模化应用。电解镍因其天然丰度、高导电性及可调控的电子结构，成为最具潜力的替代材料。
2. 电解镍的催化机理与优势
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电子结构调控：镍的3d轨道电子可通过合金化（如Ni-Fe、Ni-Mo）或杂原子掺杂（P、S）优化氢吸附自由能（ΔG*H），使其接近铂的“火山图”顶点。
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表面工程：
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原位活化：电解镍在碱性条件下可形成Ni(OH)₂/NiOOH活性层，促进水分子解离（Volmer步骤）；
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纳米多孔结构：通过电化学脱合金法（如Ni-Al前驱体）制备的泡沫镍，比表面积可达200 m²/g，暴露更多活性位点。
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载体协同效应：石墨烯或碳纳米管负载的Ni纳米颗粒可增强电子传输，减少团聚。
3. 前沿研究进展
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高活性催化剂设计：
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Ni-Mo双金属催化剂：通过电沉积制备的Ni₇Mo₃合金，在1 M KOH中过电位仅28 mV@10 mA/cm²，稳定性超过500小时（Nature Energy, 2021）；
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非晶态Ni-P：磷化镍（Ni₂P）的非晶化处理可暴露不饱和配位点，TOF（转换频率）比晶态高10倍。
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理论模拟突破：DFT计算揭示Ni(110)晶面在硫修饰后，ΔG*H从0.32 eV降至0.08 eV（接近Pt的0.09 eV）。
4. 工业化挑战与解决方案
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稳定性问题：
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腐蚀抑制：原子层沉积（ALD）包覆Al₂O₃纳米层可将酸性介质中寿命延长至1000小时；
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自修复策略：电解液中添加Ni²⁺离子可实现活性位点的动态补充。
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规模化生产：
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卷对卷电沉积技术：可实现宽幅（1 m以上）泡沫镍催化电极的连续制备，成本降至铂催化剂的1/50。
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5. 未来方向
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机器学习辅助设计：通过高通量筛选预测Ni-X-Y（X/Y=Fe, Co, S, P等）三元组合的最佳配比；
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光电耦合系统：开发Ni基光阴极（如Ni/TiO₂）实现太阳能驱动制氢。
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