Laser processing with high-power ultrashort pulses, which promises high precision and efficiency, is an emerging new tool for material structuring. High repetition rate ultrafast laser highlighting with a higher degree of freedom in its burst mode is believed to be able to create micro/nanostructures with even more variety, which is promising for electrochemical applications. We employ a homemade high repetition rate ultrafast fiber laser for structuring metal nickel (Ni) and thus preparing electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) for the first time, we believe. Different processing parameters are designed to create three groups of samples with different micro/nanostructures. The various micro/nanostructures not only increase the surface area of the Ni electrode but also regulate local electric field and help discharge hydrogen bubbles, which offer more favorable conditions for HER. All groups of the laser-structured Ni exhibit enhanced electrocatalytic activity for HER in the alkaline solution. Electrochemical measurements demonstrate that the overpotential at 10 mA cm ^{- 2} can be decreased as much as 182 mV compared with the overpotential of the untreated Ni (-457 mV versus RHE).

镍基电极材料是碱性电解水中最具工业应用前景的过渡金属催化剂, 而其缓慢的析氢反应动力学及低活失活问题仍亟待解决。本研究以泡沫镍(NF)为基底, 采用一步循环伏安法制备了主晶相为独立分相的多晶态金属镍铜合金、夹杂有少量非晶态V₂O₅相、具有三维多孔团簇结构的金属镍铜负载钒氧化物电催化剂(VO_x-NiCu/NF)。纳米颗粒、团簇交织形成的微米孔及泡沫镍的一级微孔共同构成了VO_x-NiCu/NF的三级多孔微纳结构, 使其电催化活性面积增加了28倍, 并在析氢反应中表现出优异的催化性能。在碱性介质中, 获得-10 mA·cm^-2的析氢电流密度, VO_x-NiCu/NF需要的过电势(η₁₀)仅为35 mV, 表现出类铂的催化活性, 具有优异的长效稳定性及强劲的耐用性。电极表面形成的多孔团簇结构, 显著增加了催化活性位点并为物质传递提供大量通道。镍铜合金及非晶态V₂O₅相, 在一定程度协同改善了材料的固有析氢活性。理想的组成及独特的结构特性提高了VO_x-NiCu/NF的催化性能, 其中结构优势对其最优效能起主导作用。动力学分析发现, VO_x-NiCu/NF在析氢过程遵循Volmer-Heyrovsky机理, 即表面活性氢原子的电化学脱附为电荷转移过程的决速步骤, 为后续深入研究催化机制奠定了基础。

本研究采用简单的一步化学沉积法制备非晶纳米Nd-Ni-B/NF稀土复合电极并研究其析氢(Hydrogen evolution reaction, HER)性能。通过各种测试方法对纳米电极材料进行物相分析和形貌表征,并探索其电催化析氢性能和稳定性。结果表明, 稀土Nd可提高电极的电催化析氢性能, 当硝酸钕浓度为3 g∙L^-1时, 恒温35 ℃下施镀1 h, 制备的Nd-Ni-B/NF电极析氢性能最佳。Nd-Ni-B/NF(Nickel foam)电极在1.0 mol∙L^-1KOH 溶液中, 20 mA∙cm^-2电流密度下的析氢过电位仅为180 mV, Tafel斜率为117 mV∙dec^-1, 析氢反应由Volmer-Heyrovsky步骤控制。此外, Nd-Ni-B/NF电极具有优越的电化学稳定性, 在持续电解12 h或2000次循环伏安测试后, 催化剂的活性没有明显衰减。

以镍网(NM, Nickel Mesh)为基体、NaH₂PO₂·H₂O为磷源、CuSO₄·5H₂O为铜源、NiSO₄·6H₂O为镍源, 采用一步水热法合成镍铜磷复合电催化剂, 对制备工艺进行优化, 并通过不同方法进行形貌、结构、组成和电催化性能表征。结果表明：当溶液中镍、铜、磷的配比为8: 1 :20时, 在140 ℃水热合成24 h, 制得主晶相为Ni₂P和Cu₃P、具有三级微纳结构的镍铜磷复合电催化剂。在电流密度为10 mA·cm ^-2时, NiCuP/NM的催化析氢及肼氧化过电势分别为165和49 mV; 在双电极体系中, 同电流密度下的分解槽压仅为0.750 V, 催化24 h后分解槽压几乎保持不变, 展现出优异的催化稳定性。无论三电极体系还是双电极体系均表现出优异的催化活性。分析认为, 电催化活性面积为空白镍网的近14倍, 为电催化过程提供了大量的活性位点; 掺入P改变了Ni、Cu原子的电子结构, 提高了材料的本征肼氧化活性, 两者的协同作用促进了电催化活性的提升。本研究为纳米尺度的合成提供了一个新的视角, 有望推动新型纳米孔结构材料在燃料电池和传感器应用中的发展。