磁控溅射沉积NiCu合金催化剂用于碱性水中电解制氢
前言
随着我们对能源的需求不断增加，煤炭、石油和天然气等传统能源的储量正在减少，每天生产清洁的氢能变得越来越重要。在这种背景下，碱性水电解技术作为一种有前途的制氢技术显示出潜力。然而，与这项技术相关的挑战是提高效率、确保安全性和降低生产成本。
为了克服这些挑战，设计具有高活性表面的催化剂以促进氢析出反应至关重要。一个重要特性是催化剂表面的氢键能。虽然镍是一种非常有前途的金属，具有出色的氢析出反应电流交换密度，但其在氢析出反应中的活性受到表面氢解吸的限制。
为了进一步提高镍在析氢反应中的活性，我们以降低氢键能为重点，开发了镍基合金催化剂，通过碱性水电解获得更高的催化活性。
该类合金的制备方法多种多样，包括气相沉积、电沉积、磁控溅射、熔融纺丝、机械合金化等。其中，磁控溅射具有制备高纯度合金薄膜的优势，并且可以通过调节靶功率、基体温度等工艺参数方便地控制薄膜的微观结构和晶粒尺寸。
我们还发现，镍与铜合金化可以显著提高析氢活性，铜是一种经济、耐腐蚀、环保的金属，与镍合金化可形成优异的催化性能。
1. 实验步骤
1. 处理
我们采用直流磁控共溅射系统在材料表面沉积镍铜合金，就像在材料上涂了一层特殊的涂层。
该系统的工作原理有点像真空吸尘器，将房间内的空气抽出，使空气中几乎没有气体分子。然后我们使用纯镍和铜作为能源，就像通过该系统输送电力一样。
我们还使用一种叫做氩气的特殊气体来帮助镍和铜脱离目标。这些金属颗粒最终会堆积在材料表面，就像一层薄薄的金属雨衣覆盖在材料上一样。在这个过程中，我们需要确保材料表面的纯度，就像我们在烹饪前清洗食材一样。
我们首先使用一种叫做丙酮的溶液，再加上一些酒精，然后利用超声波的力量清洁材料的表面，有点像使用特殊的洗衣机清洗衣服。
为了保证合金层厚度均匀，我们会像煎饼一样轻轻旋转材料，让合金层均匀地涂在材料的整个表面，不会出现厚度不均的情况。
2. 表征
我们可以使用一种叫做接触式轮廓仪的神奇装置来帮助测量沉积在催化剂上的镍铜合金的厚度。
这种仪器有点像一支特制的钢笔，笔尖由金刚石制成，厚度只有12.5微米。用这支钢笔在催化剂表面轻轻地来回“写”，力度为3毫克。这个过程可以测出催化剂的厚度。
我们还使用了一种名为掠入射X射线衍射仪的工具对这些镍铜合金进行了深入分析。我们用一种特殊的光照射这些合金，然后观察光的反射情况，以了解合金的结构。
我们还使用一种名为 Cu Kα 辐射的“光”照射合金，慢慢地将角度从 40° 变为 60°，就像扫描图像一样。我们观察合金如何以不同的角度反射光线，就像寻找合金的“指纹”一样。
还有一种仪器叫场发射扫描电子显微镜，简称FESEM，它就像一个特殊的显微镜，可以让我们看见合金的微小结构。
这种显微镜可以用一种叫做“二次电子成像模式”的方式来观察物体，就像是用一双特殊的眼睛来看世界一样。我们用这只特殊的眼睛来观察镍铜合金，仿佛探索一个微观世界。
我们还用了一种神奇的仪器——透射电子显微镜，它帮助我们更深入地了解了合金的结构。通过这种仪器，我们就像用超强放大镜一样，看到合金的微小细节，仿佛在一粒沙子中探索新世界。我们还用一种特殊的方法观察合金中的不同元素，仿佛在寻找元素的“踪迹”。
我们还通过一项称为循环伏安法的实验测试了这些合金在催化反应中的表现，这就像测试合金在特定条件下发生化学变化的能力。
我们在一种特殊的溶液中，就像在一个“化学游泳池”中，进行了这个实验，看看这些合金是否能在游泳池中发挥特殊的作用。
2.结果与讨论
1. 元素和微观结构分析
通过向镍（Ni）材料中添加不同比例的铜（Cu），可以制作出一系列的镍铜合金。这种合金的化学成分可以用一个数值来表示，即铜含量。通过一种名为EDX分析的方法，我们可以确定这些合金膜中的铜含量。
我们在微观结构中选取至少五个不同位置进行分析，并得到这些位置的平均成分，通过此方法我们发现镍铜合金薄膜的铜含量分别为28%、37%、48%和59%。
比较这些不同镍铜合金的 X 射线衍射 (XRD) 图案，发现了一些有趣的发现：XRD 图案中的峰值揭示了材料的晶体结构。
所有通过特定方法制备的镍铜合金都表现出相似的择优取向，随着铜含量的增加，峰位置向更低的角度移动。
这种变化表明，随着铜含量的增加，合金的晶格结构正在发生变化。事实上，通过测量这些峰的位置，我们可以得到晶格的常数值，将这些值与铜含量进行比较，我们可以得到一个有趣的趋势：随着铜含量的增加，晶格常数也随之增加。
当我们研究金属合金的微观结构时，我们看到一些有趣的现象：随着铜浓度的增加，合金的晶格变大。
这是因为铜原子比镍原子大，所以当我们增加铜的比例时，合金的整体晶格也会增加。这一发现与维加德定律的预测一致。
我们用特殊的显微镜观察了这些合金的表面，在显微照片中我们看到了一簇簇微小的晶粒。这些合金的晶粒似乎比纯镍的晶粒更细、更紧凑。这可能意味着铜的存在对晶粒的生长有一定影响。
进一步的观察发现，合金中存在尖锐的晶粒边界。这些微小的结构就像晶粒之间的“墙壁”。我们还使用一种称为电子衍射的技术证实了这些晶粒边界的存在，这种技术类似于将光照射到晶体上并观察其散射图案。
散射图样呈现出一些环状图案，这与NiCu合金的晶格结构一致。有趣的是，这些合金的晶粒尺寸在8至12纳米之间变化。
2. 电化学分析
在一项名为循环伏安法的实验中，我们研究了不同比例的镍、铜及其合金在电解质中的迁移率。电解质为 50 M KOH，用作实验环境。我们进行了六个循环，使用不同的合金重复了六次析氢反应。
生成的图像显示了镍、铜和镍的电流密度如何随不同的循环次数而变化。在一项实验中，研究人员注意到，在第一个循环中，一种合金（称为）在室温下表现出异常行为。
这是因为该合金的催化表面形成了氢气泡，导致催化活性表面积减少。通过进行多次实验循环，我们发现在第十次循环之后，电流密度趋于稳定，因为浮力和表面张力之间的平衡实现了恒定的电流密度。
通过这些实验我们还发现，与纯铜和铜镍合金相比，铜在析氢反应中的活性几乎可以忽略不计。计算得出该合金的析氢反应中得到的交换电流密度值高于纯镍在5 M KOH和纯镍在1 M氢氧化钠中的交换电流密度值，表明该合金在催化产氢方面表现出较高的活性。
在电化学领域，一种名为NiCu合金的材料也引起了我们的注意，这种合金由镍和铜两种不同的元素组成，它们就像一对化学“伙伴”一起参与反应。
我们用电流密度这个指标来了解这些合金在化学反应中的表现。通过在特定电压条件下进行实验，我们观察到了不同成分的 NiCu 合金在反应中的电流密度与循环次数之间的关系。
结果表明，在初始循环中，含52%镍和48%铜的合金表现出最高的电流密度，而纯镍和其他成分的合金略差。
但有些合金，比如含72%镍和28%铜的合金，虽然一开始的性能不如纯镍，但随着反应的进行，催化效果逐渐超过了纯镍，这是一个非常有趣的现象。
我们对这种变化的原因进行了深入研究，发现NiCu合金表面相对光滑，覆盖率较低，而纯镍表面相对粗糙，这种表面差异对气泡的形成有重要影响，而气泡在催化反应中起着重要作用。
尽管NiCu合金最初的表现不佳，但随着时间的推移，它的表面特性使其在催化反应中变得更加活跃。
结论
我们利用直流磁控共溅射技术成功制备出一种具有独特性能的材料——镍铜合金。该合金的晶粒尺寸被精确控制在8至12纳米之间，其表面经过精细加工，以实现最佳性能。
该研究的一个重要应用是在6 M KOH电解液中的析氢反应，该反应是将水分解为氢气和氧气的重要过程。实验结果表明，该镍铜合金在析氢反应中表现良好，具有良好的催化活性。
我们在镍铜合金的电化学循环中还观察到了一些有趣的现象，在第一次循环中，电流密度逐渐减小，表明材料表面的某些性质正在逐渐适应催化反应。
随着循环次数的增加，电流密度在较高的循环次数时会增加，但在第十次循环之后就会稳定下来。这种现象是由于材料的表面张力和浮力之间保持了微妙的平衡，从而使电流密度保持在恒定的水平。
参考
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