在 Ni17W3–WO2 异质结构中工程化非界面氢溢流

为什么更清洁的氢很重要

氢常被宣传为一种清洁燃料，但在不燃烧化石燃料的情况下制备它仍然是个难题。目前用于电解水制氢的最有效装置仍大量依赖诸如铂等贵金属，而这些金属成本高且稀缺。本研究探索了一种构建高性能、低成本材料的新方法，这类材料能够在类似工业电解槽使用的酸性条件下驱动制氢，有望降低成本并推动向低碳能源体系的转型。

迁移氢原子的全新路径

许多现代催化剂通过一种称为氢溢流的技巧来加速析氢，在该过程中氢原子从材料的一部分跳到另一部分，从而更容易以气体形式逸出。在大多数设计中，这种跳跃发生在两种不同材料的边界处，而该边界如同收费站会减慢通行速度。作者采用了一种不同的方法，使用由镍–钨合金（称为 Ni17W3）和二氧化钨（WO2）组成的复合体。他们不是让氢强行跨材料边界，而是将结构布置为氢原子的整个行程都发生在金属 Ni17W3 区域内，而 WO2 从一旁悄然重塑能量景观。

如何工程化这种隐形应变

为构建该催化剂，研究团队在含氢气氛下加热一种简单的镍–钨前驱体，使其重构为包含 Ni17W3 与 WO2 的微小颗粒并紧密接触。先进显微镜和衍射技术显示两部分形成明确的共享界面，但 Ni17W3 的原子晶格在该界面附近被轻微拉伸和压缩，在金属内部产生渐变的应变分布。计算模拟与 X 射线光电子能谱测量表明电子从富镍合金流向二氧化钨。应变和电荷转移共同在 Ni17W3 区域内部产生一个平滑的梯度，使不同位置对氢原子的结合强度逐渐变化。

把结构优势转化为速度

在酸性溶液中的电化学测试展示了这种隐性调控对性能的强烈影响。与纯 Ni17W3 或纯 WO2 相比，复合材料要驱动相同电流所需的超电位明显降低，反应步骤也更快速。有效比表面积和周转频率的测量表明，不仅活性位点更多，合金中每个位点的活性也更高。负载在碳布上的催化剂在接近铂基催化剂的超电位下达到工业级电流密度，并且稳定性超过 1500 小时。气体分析确认几乎所有电荷都用于生成氢而非副反应，且在完整质子交换膜电解槽中的测试显示其性能可与商业铂阴极相媲美。

追踪氢在颗粒内部的路线

为了观察氢究竟去了哪里，研究者结合了多种探测手段。用重水替代普通水仅显著减缓了复合材料的反应速率，这表明质子的迁移是限速步骤，符合溢流类过程的特征。二氧化钨的变色测试证实催化剂能够裂解氢并将其沿表面迁移。原位拉曼光谱（用于追踪工作条件下化学键振动）显示在复合体中氢在 Ni17W3 区域的键上堆积，而 WO2 区域基本不受影响，这与传统体系不同。详尽的量子级别计算支持这一图景，表明氢更倾向于通过 Ni17W3 内的一系列位点迁移，若尝试跨入 WO2 则面临高能量屏障，证明关键通路是被限定在单一相内的“非界面”溢流。

这对未来制氢装置意味着什么

简而言之，作者构建了一条完全位于金属部分内部的氢原子微型高速通道，而相邻的氧化物则在旁边精巧地塑造这条路线而非成为主要通路。这种对应变和电子流的巧妙控制绕开了材料边界处的常见障碍，使非贵金属催化剂在苛刻的酸性环境中能媲美铂的性能。这一设计原则——由支撑材料通过工程化内部能量梯度而不是作为第二反应位点来发挥作用——可广泛应用于其他合金与氧化物，推动更便宜、更耐用的催化剂用于大规模绿色制氢的发展。

引用: Xie, S., Dong, H., Cao, S. et al. Engineering non-interfacial hydrogen spillover in a Ni₁₇W₃-WO₂ heterostructure. Nat Commun 17, 4305 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70976-1

关键词: 析氢反应, 电催化剂, 氢溢流, 镍钨合金, 绿色氢能