镍钨合金催化剂中化学计量效应的起源

中国科学技术大学高敏瑞教授团队研究发现，镍钨合金中镍钨(Ni-W)比例影响氢氧化反应(HOR)性能。此外，研究人员通过调整Ni中未配对电子来调节合金在碱性HOD中的零电荷电位(PZC)和羟基吸附(OH ad)能力。该研究成果发表在《应用化学国际版》上。

氢氧燃料电池具有零碳排放等优势，是电动汽车的有前途的候选者。此外，阴离子交换膜燃料电池在允许使用非铂金属催化剂方面优于其他电池。然而，在碱性电解质中，阳极 HOR 的动力学比在酸性介质中降低了约 100 倍。目前，镍基 HOR 催化剂的活性和稳定性仍需进一步改进。

研究人员通过微波热策略制备了Ni-W氢氧化物前驱体，再通过退火制备了Ni-W合金，不同化学计量比的Ni-W合金的HOR活性大小顺序为Ni 19 W < Ni 9 W < Ni 3 W < Ni 4 W < Ni 17 W 3，其中Ni 17 W 3的性能最好，优于商业化的铂碳催化剂。

科研人员通过原位拉曼光谱研究了界面水结构，结果显示Ni 17 W 3 中“间隙-H 2 O”分子比例最高，说明其氢键网络连通性最好。

为了进一步验证Ni-W比例对电子结构调控的作用，研究人员利用电子顺磁共振和温度相关磁化强度测量，测得Ni 17 W 3中未配对Ni 3d电子的平均数量为3.7，高于其他Ni-W合金。

未配对电子的增加改变了Ni的三维轨道电子排布，同时也降低了表面功函数和PZC，提高了OH的吸附能。

研究人员通过将 Ni 与电负性的 W 合金化来微调 Ni 的未配对电子，成功地使 PZC 和表面电子态有利于 OH ad 。

该工作揭示的新机制对于突破目前非贵金属碱性HOR催化剂的性能极限、打造新一代非铂催化剂具有重要意义。