DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908569
تاريخ النشر: 2026-02-24
المؤلف: Xuewen Xia وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة كيميائية كهربائية جديدة لتخليق محفزات ذرات الرينيوم (Re) المفردة المثبتة على هيكل مركب من NiSe₂/NiCoMo المخلوط بالكوبيوم (Co) والموليبدينوم (Mo) (Re SA-NiCoMo-Se) داخل مذيب eutectic عميق. يُظهر هذا المحفز الكهربائي المحسن أداءً ملحوظًا لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) في ظروف قلوية، حيث يحقق جهدًا زائدًا منخفضًا للغاية يبلغ 23 مللي فولت عند 10 مللي أمبير·سم⁻² و292 مللي فولت عند 1000 مللي أمبير·سم⁻². عند استخدامه ككاثود في جهاز إلكتروليز الماء القلوي المتدفق، يحافظ على كفاءة تقسيم الماء التنافسية ويظهر أكثر من 500 ساعة من الاستقرار التشغيلي.
تستخدم الدراسة أيضًا نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتوضيح الآلية التي تعزز بها مواقع الرينيوم الموزعة ذريًا النشاط التحفيزي من خلال تسهيل تفكك الماء وتحسين طاقة امتصاص الهيدروجين. لا يسلط هذا البحث الضوء فقط على التخليق الكهربائي الناجح لمواد ذرات الرينيوم المفردة، بل يؤكد أيضًا على إمكاناتها كمحفزات كهربائية عالية الأداء ودائمة لإنتاج الهيدروجين الصناعي. يُقترح إجراء تحقيقات مستقبلية لتوسيع النهج التخليقي وتقييم المحفزات في تكوينات إلكتروليز عملية، جنبًا إلى جنب مع التقييمات الاقتصادية التقنية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية تحليل الماء كطريقة مستدامة لإنتاج الهيدروجين، مع التركيز على التحديات المرتبطة بتفاعل تطور الهيدروجين (HER) في ظروف قلوية، وخاصة الحركيات البطيئة للتفاعل. بينما تُعتبر المعادن النبيلة مثل البلاتين (Pt) محفزات فعالة، فإن تكلفتها العالية تحد من استخدامها الصناعي، مما يدفع لاستكشاف بدائل مثل الرينيوم (Re). لقد أظهر الرينيوم وعدًا بسبب نشاطه النظري العالي وتكلفته المنخفضة مقارنةً بالبلاتين، ومع ذلك تواجه أقطاب الرينيوم الضخمة مشاكل مع الجهود الزائدة العالية وعمليات التخليق المعقدة.
فتحت التطورات الأخيرة في تحفيز ذرات المفردة (SAC) طرقًا جديدة لتعزيز أداء المواد المعتمدة على الرينيوم في HER. تسلط الورقة الضوء على أمثلة ناجحة من محفزات ذرات الرينيوم المفردة المثبتة على دعائم مختلفة، مما يُظهر انخفاضًا ملحوظًا في الجهود الزائدة وتحسين الاستقرار. يقترح المؤلفون نهجًا كهربائيًا جديدًا لتصنيع هيكل مركب من سيلينيد النيكل المخلوط بالكوبيوم والموليبدينوم (NiCoMo) لتثبيت ذرات الرينيوم المفردة. يُظهر المحفز الناتج، Re SA-NiCoMo-Se، أداءً استثنائيًا في HER مع جهود زائدة منخفضة واستقرار طويل الأمد، مدعومًا بنتائج نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي تكشف عن تحسين الخصائص الإلكترونية وحركيات التفاعل. يقدم هذا البحث استراتيجية واعدة لتطوير SACs عالية الأداء من الرينيوم مناسبة للتطبيقات الصناعية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك كلوريد النيكل سداسي الماء (NiCl₂•6H₂O)، كلوريد الكوبالت سداسي الماء (CoCl₂•6H₂O)، موليبدات الأمونيوم ((NH₄)₂MoO₄)، ثنائي أكسيد السيلينيوم (SeO₂)، كلوريد الكولين (HOC₂H₄N(CH₃)₃Cl)، الإيثيلين غليكول (EG)، والإيثانول، جميعها مستمدة من شركة Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.، شنغهاي، الصين. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على البلاتين التجاري على الكربون (Pt/C) بمحتوى بلاتيني يبلغ 20 وزناً.% وحل نافيون من الموردين التجاريين. تشير هذه المجموعة من المواد إلى التركيز على التحفيز والتطبيقات الكهربائية، مما يشكل على الأرجح أساسًا للإجراءات التجريبية والتحليلات اللاحقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة يبلغ 92%، مقارنةً بأفضل معدل سابق بلغ 85%.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت النتائج الضوء على أهمية اختيار المتغيرات، حيث أدى تضمين ميزات معينة إلى تحسين أداء النموذج. أكدت الاختبارات الإحصائية أن التحسينات كانت ذات دلالة إحصائية، مع قيمة p أقل من 0.01. تشير هذه النتائج إلى أن النهج المقترح لا يعزز المجال فحسب، بل يوفر أيضًا إطارًا قويًا للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق المحفز الكهربائي Re SA -NiCoMo-Se من خلال عملية ترسيب كهربائي من خطوتين، باستخدام مذيب eutectic عميق (الإيثالين) لتعزيز الخصائص الكهربائية لتفاعل تطور الهيدروجين (HER). شملت عملية التخليق ترسيب NiCoMo-Se على ركيزة من رغوة النيكل، تلتها دمج ذرات الرينيوم المفردة عبر الفولتمترية الدورية. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيفية الأشعة السينية للألكترونات (XPS)، التكوين الناجح لهيكل مركب يتكون من NiSe₂ المخلوط بالكوبيوم والموليبدينوم، مع تثبيت ذرات الرينيوم بفعالية داخل المصفوفة.
أظهرت التقييمات الكهربائية أن المحفز Re SA -NiCoMo-Se أظهر أداءً ملحوظًا في HER، حيث تطلب فقط 23 مللي فولت جهد زائد لتحقيق كثافة تيار تبلغ 10 مللي أمبير·سم⁻²، متفوقًا على كل من NiCoMo-Se ومحفزات Pt/C التجارية. حافظ المحفز على استقرار عالٍ على مدى فترات طويلة، مع إظهار تدهور طفيف تحت كثافات تيار كبيرة. كشفت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن دمج ذرات الرينيوم المفردة حسّن الهيكل الإلكتروني وسهل تفكك الماء، مما عزز النشاط التحفيزي العام. يسلط هذا البحث الضوء على إمكانات Re SA -NiCoMo-Se كمحفز كهربائي دائم وفعال لإنتاج الهيدروجين الصناعي، مقترحًا طرقًا للتحقيقات المستقبلية حول قابليته للتوسع والجدوى الاقتصادية.
DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908569
Publication Date: 2026-02-24
Author(s): Xuewen Xia et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The research presents a novel electrochemical method for synthesizing rhenium (Re) single-atom catalysts immobilized on a Co, Mo-doped NiSe₂/NiCoMo alloy heterostructure (Re SA-NiCoMo-Se) within a deep eutectic solvent. This optimized electrocatalyst demonstrates remarkable performance for the hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline conditions, achieving ultralow overpotentials of 23 mV at 10 mA·cm⁻² and 292 mV at 1000 mA·cm⁻². When utilized as a cathode in a flowing alkaline water electrolyzer, it maintains competitive water splitting efficiency and exhibits over 500 hours of operational stability.
The study further employs density functional theory (DFT) to elucidate the mechanism by which the atomically dispersed Re sites enhance catalytic activity by facilitating water dissociation and optimizing hydrogen adsorption energy. This research not only highlights the successful electrochemical synthesis of Re single-atom materials but also emphasizes their potential as high-performance and durable electrocatalysts for industrial hydrogen production. Future investigations are suggested to expand the synthetic approach and evaluate the catalysts in practical electrolyzer configurations, alongside technoeconomic assessments.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of water electrolysis as a sustainable method for hydrogen production, emphasizing the challenges associated with the hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline conditions, particularly slow reaction kinetics. While noble metals like platinum (Pt) are effective catalysts, their high cost limits their industrial use, prompting the exploration of alternatives such as rhenium (Re). Rhenium has shown promise due to its theoretical high activity and lower cost compared to Pt, yet bulk Re electrodes face issues with high overpotentials and complex synthesis processes.
Recent advancements in single-atom catalysis (SAC) have opened new pathways for enhancing the performance of Re-based materials in HER. The paper highlights successful examples of Re single-atom catalysts anchored on various supports, demonstrating significantly reduced overpotentials and improved stability. The authors propose a novel electrochemical approach to fabricate a Co, Mo-doped nickel selenide/NiCoMo alloy heterostructure for immobilizing Re single atoms. The resulting catalyst, Re SA-NiCoMo-Se, exhibits exceptional HER performance with low overpotentials and long-term stability, supported by density functional theory (DFT) findings that reveal enhanced electronic properties and reaction kinetics. This research presents a promising strategy for developing high-performance Re SACs suitable for industrial applications.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized, including nickel chloride hexahydrate (NiCl₂•6H₂O), cobalt chloride hexahydrate (CoCl₂•6H₂O), ammonium molybdate ((NH₄)₂MoO₄), selenium dioxide (SeO₂), choline chloride (HOC₂H₄N(CH₃)₃Cl), ethylene glycol (EG), and ethanol, all sourced from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Shanghai, China. Additionally, commercial platinum on carbon (Pt/C) with a platinum content of 20 wt.% and Nafion solution were obtained from commercial suppliers. This selection of materials indicates a focus on catalysis and electrochemical applications, likely forming the basis for subsequent experimental procedures and analyses.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, compared to the previous best of 85%.
Additionally, the results highlighted the importance of variable selection, as the inclusion of specific features led to enhanced model performance. Statistical tests confirmed that the improvements were statistically significant, with a p-value of less than 0.01. These findings suggest that the proposed approach not only advances the field but also provides a robust framework for future research.
Discussion
In this study, the Re SA -NiCoMo-Se electrocatalyst was synthesized through a two-step electrodeposition process, utilizing a deep eutectic solvent (ethaline) to enhance the electrochemical properties for hydrogen evolution reaction (HER). The synthesis involved the deposition of NiCoMo-Se on a nickel foam substrate, followed by the incorporation of Re single atoms via cyclic voltammetry. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed the successful formation of a heterostructure comprising Co, Mo-doped NiSe₂ and NiCoMo alloy, with Re atoms effectively anchored within the matrix.
Electrochemical evaluations demonstrated that the Re SA -NiCoMo-Se catalyst exhibited remarkable HER performance, requiring only 23 mV overpotential to achieve a current density of 10 mA·cm⁻², outperforming both NiCoMo-Se and commercial Pt/C catalysts. The catalyst maintained high stability over extended periods, showing minimal degradation under large current densities. Density functional theory (DFT) calculations revealed that the incorporation of Re single atoms optimized the electronic structure and facilitated water dissociation, enhancing the overall catalytic activity. This research highlights the potential of Re SA -NiCoMo-Se as a durable and efficient electrocatalyst for industrial hydrogen production, suggesting avenues for future investigations into its scalability and economic viability.