DOI: https://doi.org/10.1007/s44373-026-00104-7
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Manisha Das وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تفاعل تطور الهيدروجين (HER) هو أمر حيوي لإنتاج الطاقة المستدامة، وخاصة في تحليل الماء. لقد ظهرت المواد القائمة على النيكل (Ni) كعوامل تحفيز فعالة بسبب نشاطها التحفيزي وفعاليتها من حيث التكلفة. تسلط هذه الدراسة الضوء على النهج المبتكر لاستخدام النيكل المطلي على رغوة النحاس (Ni/Cu foam) لتعزيز أداء HER، مستفيدة من التأثيرات التآزرية بين Ni وCu. تُعتبر تقنية الإيداع الكهربائي المستخدمة فعالة في تصنيع عوامل التحفيز الكهربائية.
تشير النتائج إلى أن محفز رغوة Ni/Cu يتفوق بشكل كبير على رغوة النحاس العارية، حيث يتميز بفائض جهد منخفض وانحدار Tafel ملائم، مما يشير إلى حركيات تطور الهيدروجين الفعالة. بينما تظهر النشاط التحفيزي الكهربائي لرغوة Ni/Cu إمكانية للتحسين مقارنةً بمحفز Pt/C المعروف، إلا أنها تقدم بديلاً فعالاً من حيث التكلفة وقابلية للتوسع لتطبيقات HER. تظهر اختبارات المتانة تدهورًا طفيفًا في الأداء على مدى فترات طويلة، مما يبرز الموصلية العالية، ومساحة السطح الكبيرة، والفوائد التآزرية لمزيج Ni-Cu. توفر هذه الأبحاث رؤى قيمة لتطوير عوامل التحفيز الكهربائية المتقدمة التي تهدف إلى حلول الطاقة المستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت الطرق التجريبية المستخدمة استخدام مواد كيميائية وعوامل نقية من الدرجة التحليلية، والتي تم استخدامها دون تنقية إضافية. تشمل المواد الرئيسية كلوريد النيكل اللامائي ($\text{NiCl}_2$)، حمض النيتريك ($\text{HNO}_3$)، كبريتات النحاس خماسية الماء ($\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$)، حمض الكبريتيك ($\text{H}_2\text{SO}_4$)، هيدروكسيد البوتاسيوم ($\text{KOH}$)، وبلاتين على الكربون (Pt/C)، جميعها تم الحصول عليها من Nacalai Tesque، اليابان. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على رقائق النحاس عالية النقاء بسماكة تتراوح من 1 إلى 5 ميكرومتر والنيكل من مورد تجاري في اليابان.
تم اختيار هذه المواد لنقاوتها العالية لضمان موثوقية و reproducibility النتائج التجريبية. تشير اختيار المواد الكيميائية إلى التركيز على التطبيقات الكهروكيميائية، والتي من المحتمل أن تشمل مركبات النيكل والنحاس، وهي شائعة في الدراسات التحفيزية والطاقة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أكد سلامة الهيكل الأساسي لرغوة النحاس (Cu) بعد الطلاء الكهربائي، مع قمم مميزة تتوافق مع مستويات (111)، (200)، و(220) من Cu عند 43.6°، 50.7°، و74.5°، على التوالي. على الرغم من أن قمم النيكل (Ni) لم تكن واضحة بسبب هيمنة قمم Cu، إلا أن التحولات في نمط الحيود تشير إلى ترسيب Ni ناجح، يُعزى إلى تكوين طبقة رقيقة من Ni ذات بلورات ضعيفة. أكدت التحليلات العنصرية التكميلية عبر رسم خرائط EDS وجود Ni، مما يدل على توزيع متجانس على رغوة Cu، التي احتفظت بهيكلها المسامي – وهو أمر حاسم لتعزيز النشاط التحفيزي في تفاعلات تطور الهيدروجين (HER).
كشفت تقييمات الأداء الكهروكيميائي أن محفز رغوة Ni-Cu أظهر فائض جهد أقل بكثير قدره 260 مللي فولت عند كثافة تيار 10 مللي أمبير سم⁻² مقارنةً برغوة Cu العارية (389 مللي فولت)، مما يشير إلى كفاءة متفوقة. كان انحدار Tafel لرغوة Ni-Cu (106 مللي فولت ديسيبل⁻¹) أيضًا أقل من ذلك لرغوة Cu العارية (125 مللي فولت ديسيبل⁻¹)، مما يشير إلى تحسين حركيات التفاعل. أظهرت اختبارات الاستقرار أن رغوة Ni-Cu حافظت على 83% من كثافة التيار الأولية بعد 15 ساعة، مما يدل على متانة طويلة الأمد. كما أظهرت طيفية مقاومة الشحن الكهروكيميائية (EIS) مقاومة نقل شحن منخفضة، مما يؤكد فعالية رغوة Ni-Cu ككهرباء HER في البيئات القلوية. بشكل عام، تضع هذه النتائج رغوة النحاس المطلية بالنيكل كمرشح واعد لتطبيقات الطاقة المستدامة، وخاصة في خلايا الوقود.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون عمليات التخليق والطلي الكهربائي المستخدمة لإنشاء محفز رغوة النحاس المطلي بالنيكل (Ni-Cu foam) لتفاعل تطور الهيدروجين (HER). تم تصنيع رغوة النحاس عبر الإيداع الكهربائي الجلفاني على ورق النحاس المنظف، باستخدام نظام ذو قطبين مع كثافة تيار ثابتة قدرها 1 أمبير سم$^{-2}$ لمدة 45 ثانية في محلول من 0.4 م كبريتات النحاس (CuSO$_4$) و1.5 م حمض الكبريتيك (H$_2$SO$_4$). تعزز هذه البنية المسامية ثلاثية الأبعاد نقل الكتلة أثناء HER من خلال تسهيل اختراق الإلكتروليت والانتشار السريع للمواد المتفاعلة والمنتجات. بعد ذلك، تم طلاء النيكل على رغوة النحاس، محققًا تحميل كتلي قدره حوالي 13.7 ملغ سم$^{-2}$، والذي تم حسابه باستخدام قانون فاراداي.
تخلص الدراسة إلى أن محفز رغوة Ni-Cu يظهر نشاطًا تحفيزيًا كهربائيًا محسّنًا بشكل كبير لتفاعل HER مقارنةً برغوة النحاس العارية، حيث يتميز بفائض جهد منخفض وانحدار Tafel ملائم، مما يدل على حركيات تطور الهيدروجين الفعالة. على الرغم من أن أداء رغوة Ni-Cu لا يزال أقل من ذلك لمحفز Pt/C المستخدم على نطاق واسع، إلا أنه يظهر متانة ممتازة مع تدهور طفيف بمرور الوقت. تشير النتائج إلى أن الموصلية العالية، ومساحة السطح الكبيرة، والتأثيرات التآزرية بين النيكل والنحاس تضع النيكل المطلي على رغوة النحاس كبديل واعد وفعال من حيث التكلفة لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع، مما يساهم في تطوير عوامل التحفيز الكهربائية المتقدمة لتطبيقات الطاقة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44373-026-00104-7
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Manisha Das et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The hydrogen evolution reaction (HER) is pivotal for sustainable energy production, particularly in water electrolysis. Nickel (Ni)-based materials have emerged as effective electrocatalysts due to their catalytic activity and cost-effectiveness. This study highlights the innovative approach of using nickel electroplated on copper foam (Ni/Cu foam) to enhance HER performance, leveraging the synergistic effects of Ni and Cu. The electrodeposition technique employed is noted for its efficiency in synthesizing electrocatalysts.
The findings indicate that the Ni/Cu foam catalyst significantly outperforms bare copper foam, characterized by a low overpotential and a favorable Tafel slope, which suggests efficient hydrogen evolution kinetics. While the electrocatalytic activity of Ni/Cu foam shows potential for improvement compared to the established Pt/C catalyst, it offers a cost-effective and scalable alternative for HER applications. Durability tests demonstrate minimal performance degradation over extended periods, underscoring the high conductivity, large surface area, and synergistic benefits of the Ni-Cu combination. This research provides valuable insights for the development of advanced electrocatalysts aimed at sustainable energy solutions.
Methods
In this study, the experimental methods employed involved the use of analytically pure grade chemicals and reagents, which were utilized without additional purification. The key materials included nickel chloride anhydrous ($\text{NiCl}_2$), nitric acid ($\text{HNO}_3$), copper sulfate pentahydrate ($\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$), sulfuric acid ($\text{H}_2\text{SO}_4$), potassium hydroxide ($\text{KOH}$), and platinum on carbon (Pt/C), all procured from Nacalai Tesque, Japan. Additionally, high-purity copper foil with a thickness ranging from 1 to 5 μm and nickel were obtained from a commercial supplier in Japan.
These materials were selected for their high purity to ensure the reliability and reproducibility of the experimental results. The choice of reagents indicates a focus on electrochemical applications, likely involving nickel and copper compounds, which are common in catalytic and energy-related studies.
Results
The results of the study indicate that X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the structural integrity of the copper (Cu) foam substrate post-electroplating, with distinct peaks corresponding to the (111), (200), and (220) planes of Cu at 43.6°, 50.7°, and 74.5°, respectively. Although nickel (Ni) peaks were not discernible due to the dominance of Cu peaks, shifts in the diffraction pattern suggested successful Ni deposition, attributed to the formation of a thin, poorly crystalline Ni layer. Complementary elemental analysis via EDS mapping corroborated the presence of Ni, demonstrating a uniform distribution on the Cu foam, which retained its porous structure—crucial for enhancing catalytic activity in hydrogen evolution reactions (HER).
Electrocatalytic performance assessments revealed that the Ni-Cu foam catalyst exhibited a significantly lower overpotential of 260 mV at a current density of 10 mA cm⁻² compared to bare Cu foam (389 mV), indicating superior efficiency. The Tafel slope of the Ni-Cu foam (106 mV dec⁻¹) was also lower than that of bare Cu foam (125 mV dec⁻¹), suggesting enhanced reaction kinetics. Stability tests showed that the Ni-Cu foam maintained 83% of its initial current density after 15 hours, indicating long-term durability. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) further demonstrated low charge transfer resistance, affirming the Ni-Cu foam’s effectiveness as an HER electrode in alkaline environments. Overall, these findings position the Ni-electroplated copper foam as a promising candidate for sustainable energy applications, particularly in fuel cells.
Discussion
In this section, the authors detail the synthesis and electroplating processes used to create a nickel-coated copper foam (Ni-Cu foam) catalyst for hydrogen evolution reaction (HER). The copper foam was fabricated via galvanostatic electrodeposition on cleaned copper foil, utilizing a two-electrode system with a constant current density of 1 A cm$^{-2}$ for 45 seconds in a solution of 0.4 M CuSO$_4$ and 1.5 M H$_2$SO$_4$. This three-dimensional porous structure enhances mass transport during HER by facilitating electrolyte penetration and the rapid diffusion of reactants and products. Subsequently, nickel was electroplated onto the copper foam, achieving a mass loading of approximately 13.7 mg cm$^{-2}$, which was calculated using Faraday’s law.
The study concludes that the Ni-Cu foam catalyst exhibits significantly improved electrocatalytic activity for HER compared to bare copper foam, characterized by a low overpotential and favorable Tafel slope, indicative of efficient hydrogen evolution kinetics. Although the performance of Ni-Cu foam is still inferior to that of the widely used Pt/C catalyst, it demonstrates excellent durability with minimal degradation over time. The findings suggest that the high conductivity, large surface area, and synergistic effects between nickel and copper position Ni electroplated on copper foam as a promising, cost-effective alternative for large-scale hydrogen production, contributing to the development of advanced electrocatalysts for sustainable energy applications.