暨南大学ACS Catalysis:非晶态Cu-W合金电催化制氢

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非晶态Cu-W合金作为稳定和高效的电催化制氢催化剂，由暨南大学林怀俊教授和高庆生教授领导的研究团队通过磁控溅射法制备。当名义成分为Cu50W50时，表现出最佳的析氢反应（HER）催化性能。在1M KOH溶液中，电流密度为10mA cm-2时，过电位仅为65mV。密度泛函理论计算揭示，非晶态Cu50W50合金的氢吸附吉布斯自由能（ΔGH）接近于零，相较于纯铜和纯钨有明显优势。非晶态Cu50W50合金在100mA cm-2电流密度下可持续催化200小时，而没有明显的成分降解，展现出卓越的催化稳定性和耐腐蚀性。此材料可作为高效的非贵金属电解水析氢催化剂，并为制备完全不互溶体系的非晶合金提供了新思路。

要点一：磁控溅射方法成功制备出宽成分范围的Cu-W非晶态合金。通过实验发现，当Cu-W的成分比例在Cu40W60与Cu75W25之间时，Cu-W合金呈现非晶态结构。Cu50W50样品在10 mA cm-2电流密度下的过电位为65 mV，展现出优异的HER催化活性，并在100 mA cm-2电流密度下稳定催化200小时。W的稳定性与高耐腐蚀性对于维持催化稳定性至关重要。Cu-W合金的非晶化使得W均匀分散在材料中，显著提升整体催化稳定性。

要点二：密度泛函计算揭示了非晶态Cu-W合金的氢吸附吉布斯自由能。研究发现，非晶态Cu1W1合金在费米能级附近具有最大的态密度，且ΔGH接近于零。这解释了非晶态Cu-W合金具有优异HER催化活性的原因。

总结与展望：通过磁控溅射工艺制备的二元非晶Cu-W合金用作HER催化剂，显示出Cu50W50合金在电流密度为10和100 mA cm-2时的过电位分别为65和194 mV。在100 mA cm-2电流密度下，Cu50W50合金经过200小时连续HER催化后仍保持良好的催化稳定性与结构稳定性。Cu-W合金中W的稳定物理化学性质是催化稳定性的关键因素。DFT计算结果进一步证实了非晶态Cu50W50合金的ΔGH接近于零。这项研究为电解水和燃料电池催化剂的成分设计提供了新的思路。