为了达到“碳达峰”及“碳中和”的目标,减少对化石燃料的依赖,减少碳排放变得至关重要[1–4]。氢的能量密度大约有33.6 kWh·kg−1,比汽油等常规燃料高出2.7倍,由于氢能具有高能量密度和零污染特性,且排放物易于回收,不仅被视为理想的清洁能源,同时也是替代不可再生能源的首选之一。电解水制氢是目前最主要的绿氢生产方法之一[5]。作为绿色能源载体,这项极具发展前景的技术,水是唯一的排放物。电化学水分解涉及两个关键步骤,这两个步骤各自在电解槽的不同极上发生。其中一个在电解槽的阳极进行,即析氧反应(OER),另一个则在阴极进行,即析氢反应(HER)。然而,其应用受到电解制氢中催化剂成本相对较高的阻碍。近年来,研究人员关注的焦点是开发不含贵金属具有高活性和稳定性的HER材料的催化剂[6–7]。碱性溶液中水分子还原导致吸附氢原子形成(Volmer反应)的激活势垒包括3个组成部分,即水吸附能、 水解离活化能和氢吸附自由能[8–9]。
在研究催化剂的HER性能时,一个关键的指标是氢吸附自由能的值,理想状态下这一值接近于0,利用氢吸附自由能和交换电流密度等参数,构建所谓的“火山图”,可以清晰地表示不同金属对氢原子的吸附能力,从而判断其析氢效率,用氢吸附自由能(ΔGH*)建立并交换电流密度(j0),ΔGH*值越高表示H*的吸附较弱,说明吸附困难,H*不易在催化剂表面停留和积累;当ΔGH*值较低时,表示对H*的吸附较强,导致H2解吸。因此,催化剂表现出优异的HER性能时,ΔGH*≈0,由图1表示[10]。位于顶峰的催化剂展示了最佳的HER性能,特别是以贵金属如Pt,Rh,Re,Pd及Ir等,它们显示出较高的析氢效率,其中Pt被广泛认为是最有效之一,然而,由于这些贵金属资源稀缺且成本高昂,它们在商业应用中的使用受到一定限制[11],Raney Ni以及多元合金电极虽然析氢过电位能够接近贵金属的电催化水平,在长期使用后其耐久性存在隐患、 催化活性不足,影响电极的稳定性和使用寿命。因此当前迫切需要研究和开发高活性、 可靠耐用且廉价的非贵金属催化剂[12]。

在过渡金属中,非贵金属镍其催化活性相对较高且资源储量十分丰富,使用成本低使得镍基催化剂在碱水电解制氢领域应用广泛。工业碱性电解槽中,阴极电极主要采用镍基材料,其中泡沫镍(NF)和镍网(NM)最为常见。泡沫镍具有独特的三维结构和网状通道,可以有效地促进电荷输运,并作为衬底构建各种微结构。然而,其低韧性和松散附着的电活性元件极大地限制了其实际应用。镍网具有优异的机械强度和稳定性,被广泛应用于工业碱性电解槽中。
碱性电解制氢技术的概念于1789年被提出[13–15],碱水电解过程以氢氧化钾或氢氧化钠溶液为电解质,并采用高分子材料隔膜,当电流通过溶液时,会在阳极和阴极间触发电化学反应,分别在阴极产生氢气和在阳极产生氧气,具体过程中,水分子在电场的驱动下被分解,转化为氢离子(H+)和羟基离子(OH−),在阴极,氢离子接受电子后被还原成氢气;相对地,在阳极,羟基离子释放电子后被氧化,生成氧气和水。其机制示意图如图2[5]和式(1~3)所示。[empty formula](1)[empty formula](2)[empty formula](3)
电化学析氢是一个涉及电化学和化学步骤的复杂过程。碱性溶液中水分子还原形成吸附氢原子(Volmer反应)的活化势垒,包括水吸附能(Eads)、 水解离活化能(Eads)和Hads吸附自由能(∆Gads,H)。
HER动力学涉及两个步骤(式(4,7,10)):水解离成羟基离子(OH−)和吸附氢原子称为Volmer步骤,该过程包括催化剂(M)表面的H+还原生成吸附的氢原子(H*),碱性和酸性电解质中的质子源分别为H2O和H3O+(式(5~6))。随后可以通过Heyrovsky(式(8~9))或Tafel步骤[8,16](式(11))或是这两者的联合作用,进而产生H2。在Heyrovsky步骤中,另一个质子和电子与已吸附的H*发生反应,生成H2,而在Tafel步骤中,两个已吸附的H*在电极表面直接结合形成氢气分子(H2)[17]。随后这些气体分子会从电极表面释放出来,这些步骤共同描述了HER的动力学过程。[empty formula](4)[empty formula](5)[empty formula](6)[empty formula](7)[empty formula](8)[empty formula](9)[empty formula](10)[empty formula](11)
第一步当电解液中的水分子(H2O)或质子(H+)到达阴极表面时,它们会获得一个电子(e−)并被还原为吸附在电极表面的氢原子(H*),这个步骤是HER的初始步骤称为Volmer步骤;第二个步骤如果电极表面的氢原子(H*)数量较少,它们可能会与溶液中的另一个质子(H+)和一个电子(e−)结合,生成一个氢分子(H2)并释放到气相中。这个步骤被称为电化学脱附或Heyrovsky步骤;第二个步骤如果电极表面的氢原子(H*)数量较多,它们可能会相互结合,生成一个氢分子(H2)并释放,而不需要额外的质子和电子。这个步骤被称为复合脱附或Tafel步骤。HER过程中,Volmer步骤总是存在的,因为它提供了氢原子(H*)的来源。然而,氢气的析出(即脱附步骤)可以通过Heyrovsky步骤或Tafel步骤进行,这取决于电极表面的氢原子(H*)的覆盖率和反应条件。Tafel斜率可以用来分析特定HER的速率决定步骤,有助于更好地理解反应途径。其中Tafel斜率(b)与控制反应速率的步骤相关,是描述电极反应速率与过电位之间的关系,表明了电极反应的动力学特性,表1为Tafel斜率数值与HER动力学和控制步骤关系。可以看出,吸附氢的形成和转化对于HER过程至关重要,在催化剂表面氢不仅经历着化学吸附的过程,同时也伴随着脱附过程,而这两个过程都受到氢吸附自由能的调控。这种自由能常被用作描述HER反应速率的指标[18]。在电催化氢析出反应的过程中,氢在电极表面的吸附和解吸是两个步骤紧密相连,因此一个理想的HER催化剂应当具备适中的氢吸附自由能,以确保这两个步骤能够高效、 顺畅地进行。如果存在较高且大于零的氢吸附自由能,会降低反应速率,因此,为负则有利于结合,Volmer步骤更容易进行。然而,若负值过大,太强的结合力会限制后续反应(Heyrovsky或Tafel步骤)。Pt有着优异的电催化性,其催化性能和动力学受到Volmer步骤中缓慢的水裂解速率的阻碍,因此需开发具有显著加速Volmer步骤的高活性电催化剂[19]。Volmer步骤在碱性HER中通常是最慢的步骤,因此它决定了整个反应的速率,通过减少氢吸附自由能,使其无限接近于0,有助于促进Volmer步骤的进行,从而提高整个HER的反应速率。
Pt族贵金属及其合金具有优异的电催化活性[20–22],能够在较低电位下获得更高的电流密度,是公认的HER性能最高的催化剂之一。马忠华[23]采用一步法制备了球形的非晶态Pt基电催化剂,这种催化剂在电化学反应中表现出了良好的稳定性和逐步提升的HER性能,特别地,在10 mA·cm−2的电流密度下,HER的过电位从89.7 mV降低到了18.8 mV,而Tafel斜率同样有显著降低。王春华[24]使用碳布作为衬底,利用原子层沉积衬底上沉积厚度约为3 nm的TiO2种子层,并通过干燥、 退火、 化学腐蚀等方法最终合成了生长在碳布上的TiN NAs,并利用多孔TiN NAs和金属Pt的协同作用,在TiN NAs结构的表面负载了准原子级的Pt催化剂(Pt-TiN NAs)。当添加了200 µl的H2PtCl6·6H2O时,TiN NAs的表面构建了平均粒径为0.94 nm的准原子级别的Pt催化剂,由于其独特的结构设计,展现出了卓越的析氢性能:电流密度为100 mA·cm−2,显示出非常低的析氢过电位 (39.7 mV)和Tafel斜率 (38.6 mV·dec−1),进一步印证了其高效的析氢催化能力。Zhang等[25]采用两步法在镍网(NM)上制备Pt-Ni(OH)2@NM纳米线/纳米片复合结构的催化剂,如图3所示,用超低量Pt (0.06 mg·cm−2)掺杂Ni(OH)2阵列提高镍丝网催化活性,该方法改善了活性位点的电荷动力学、 活性表面积和固有活性。在碱性电解质条件下实现了在100 mA·cm−2的电流密度下,析氢过电位仅为68 mV,表明了其高效的催化性能。以上研究表明了通过微观结构设计和材料优化可以显著提升催化剂的效率及稳定性。然而,王春华[24]利用准原子级的Pt所制备出的催化剂虽然能达到优异的性能(电流密度为100 mA·cm−2时析氢过电位为39.7 mV),但是由于贵金属 (Pt,Pd等)存量有限、 使用成本高等原因,限制了大规模使用。因此,近年来科研人员着眼于研究如何进一步提高现有非贵金属催化剂的析氢性能或开发价格低廉且性能卓越的新型催化剂[13,26–27]。
在各类过渡金属基催化剂中,因Ni含量储量丰富,Ni基催化剂在碱水制氢领域中潜力巨大而备受关注[28–29]。Kuznetsov等[30]使用电沉积法制备了CoMo,NiMo和ReNi催化剂。结果表明,制备出的ReNi催化剂在碱性溶液中具有高催化活性和稳定性,且是三者中HER催化活性最高的催化剂。在电解过程中发现Mo从阴极表面溶解,在1 mol·L−1 NaOH溶液电解2 h后,贫Mo层的平均厚度为(15±5)nm。Mo在碱性溶液中是不稳定的,其从催化剂表面的溶解会导致CoMo电极在HER中的催化活性降低。与CoMo电极相比,ReNi阴极在碱性溶液中在阴极极化下是稳定的。ReNi电极经过10 h电解后,溶液中均未发现Ni和Re。Hua等[31]通过在NaCl-KCl共晶熔体中用一步电化学法还原市售Ni上的Al3+,制备相组成和表面形貌可控的自支撑Al3Ni2/Ni电极。均匀Al3Ni2整体催化剂可以直接生长在Ni衬底上,且具有独特的三维花椰菜状的纳米和微粒形貌。提高电流密度至10 mA·cm−2时,Al3Ni2/Ni电极析氢过电位和Tafel斜率表明了其具有优异的电催化活性。Al3Ni2具有独特的纳米/微米颗粒层次结构,其固有的催化能力可以提供多种效应,包括大量暴露的活性位点、 增强的电荷转移和质量传递、 以及快速的释放气体,这些协同作用有助于提高HER的电催化性能。张婕[32]通过一步水热法制备了呈“绣球花”状的MoS2/Cu1.8S/NiS@MoSx四元异质结合金催化剂,且采用铜网为铜源合成Cu1.8S。使用Na2MoS4·2H2O与CH4N2S制备出前驱体溶液,并在200 ℃下与前驱体溶液反应24 h,制备过程如图4所示,该催化剂在10 mA·cm−2处析氢过电位低至87 mV。Wen等[33]采用水热-磷化-电沉积的工艺,在泡沫镍上制备出一种新型的异质结构NF/CoP@Ni3S2电催化剂,该催化剂由多孔Ni3S2纳米球修饰的泡沫镍衬底上交错的二维CoP纳米板组成,这种分层结构充分暴露活性中心,增强HER性能,不仅在10 mA·cm−2时的过电位为68.9 mV,而且在27 h运行后性能稳定无明显下降,证实了其耐久性。Zhang等[34]通过简单的压制-快速烧结方法制备了坚固的NiAl单体,并使用0.5 mol·L−1 H2SO4溶液进行电化学反应,原位构建了富Ni多孔NiAl整体电极和三维纳米孔NiAl催化剂。其中,富Ni多孔NiAl整体电极表现出低起始过电位,仅为33 mV;且其电极在析氢过电位为157和226 mV时,能分别达到100和200 mA·cm−2的电流密度。高活性可能是由于原位获得的具有高表面积的纳米孔结构和纳米尺寸的Ni。在335 mV的中等过电位下,该电极可以维持350 mA·cm−2的电流密度长达60 h。

Ni具有良好的催化性能,且资源丰富、 成本低、 耐腐蚀好,这些优势使得Ni基材料成为电解水制氢领域的重要研究方向之一,并在稳定性、 析氢过电位等指标上取得优异的成果。
Co具有独特的电子结构、 低成本及可调控的催化活性。Zhou等[35]通过将钼酸钠和钴配合物按照特定的比例混合,将其作为添加剂,加入碱性电解质中,制备样品的电解电压在每平方厘米降低了约100 mV,而对于光滑镍网电极,降低了200~300 mV。引入钴配合物和钼酸钠,使Mo和Co经过短时间电镀后在阴极上镀上,以此降低析氢过电位。姜媛媛等[36]通过水热和后续磷化步骤,使用三维镍网作为基底,将CoP纳米珠线阵列(CoP/NF)负载于其上。扫描电镜(SEM)图像显示,磷化过程在镍网表面形成了较为粗糙的纳米珠链阵列,这增大了表面积,提高了物质和电荷的传递效率,在电流密度为10 mA·cm−2时,三维镍网负载的CoP显示出较低的过电位(95 mV)和Tafel斜率(41.5 mV·dec−1)。Liu等[37]制备了由掺铬Co2P和P空位纳米线阵列(NWs)在泡沫镍上生长的电极(Cr0.4Co2P(Vp)NWs),制备流程如图5所示。所得的Cr0.4Co2P(Vp)NWs电极在电流密度为10 mA·cm−2下的析氢过电位为37 mV。Chen等[38]利用水热-退火-电沉积法在泡沫镍表面负载了Ni5Mo/NiCo2O4异质结构,其在碱性电解质中,表现出优异性能。在电流密度为10 mA·cm−2时析氢过电位仅为44 mV。Ni5Mo和NiCo2O4的结合使电子从Co2+/Co3+转移到Ni0/Mo0,优化了Ni0,Mo0和Co3+活性位点的电子结构,大大提高了HER活性。
Mo的氢吸附自由能略低于Co,然而其价格不及Co一半,且在酸性、 碱性及中性介质中展示出优异的稳定性,也备受关注。Hwang等[39]将MoCl5和尿素在N2条件下通过一步简单退火,直接生长在泡沫镍上,在不同温度下制备了Mo2C-MoC复合异质结构电催化剂(Mo2CeMoC/NF-x),制备过程如图6所示。其中在650 ℃下制备的Mo2CeMoC/NF催化剂表现出优异的HER性能,在电流密度为10和100 mA·cm−2下的析氢过电位分别为28.6和119.7 mV。Mo2C-MoC异质结构优化氢结合能提供活性位点,泡沫镍提供了大的表面积和高的导电性。并且制备的催化剂在50 h的时间电位测量中表现出良好的稳定性。杨格[40]用Ni,Fe和Mo等粉末为原料,制备的Ni-Fe-Mo多孔电极材料,具有充裕的多孔结构,孔与孔间互相贯通,有良好的电催化析氢稳定性,可以用作电解海水析氢阴极材料。Zhou等[41]通过原位离子交换和低温磷化制备了一种性能优良的NiMo-Fe-P水电解催化剂。该催化剂在电流密度为10 mA·cm−2时,析氢过电位为73.1 mV,显示出其优异的HER性能。由于金属磷化物中加入Fe改变了Ni的电子结构,有利于含氧中间体的化学吸附,降低了水分解的能垒还提高了催化剂的导电性。刘彬[42]采用水热法和磷化工艺在NF上制备出具有自支撑结构的CoMoP/Ni12P5/NF复合材料。先在NF表面生长了CoMo纳米片,再进行磷化处理。处理过程中,NF表面的Ni参与并形成了Ni12P5纳米片。制备的样品展现出优异的催化活性,采用标准三电极体系对电极为Pt片,参比电极为Hg/HgO测试,结果显示,只需极小的过电位(ƞ10=86 mV)以及Tafel斜率(46 mV·dec−1)。Xu等[43]在NF上形成莫特-肖特基阵列(Ni-Mo2C/NC@NF)。Ni-Mo2C/NC阵列作为双功能催化剂直接应用于碱性电解质中,具有高活性和耐用性,特别是产生氢气需要极低的过电位(40 mV)。Zuo等[44]通过原位水热生长Ni-Mo氧化物/聚多巴胺(NiMoOx/PDA)配合物,并在还原气氛中退火,构建了NF支撑的三元Ni/Mo双金属配合物(Ni/Mo-TEC@NF)。当集成到双电极体系中时,表现出较高的稳定性和活性,电池电压为1.65 V,在电流密度100 mA·cm−2时即可驱动整体水分解。

除了Ni,Mo,Co基催化剂外,其他非贵金属催化剂也展现出优异的性能。Liu等[45]利用一步水热法,在三维FeNi3泡沫(FNF)上制备了类似花粉花瓣的Co3O4-CeO2异质结构(Co3O4-CeO2@FNF)。由于类花瓣Co3O4和类花粉CeO2之间的界面氧缺陷,其独特的类花粉结构具有更多的活性位点,使得电子能够快速传输,所制备的样品具有较大的表面积,具有优异的HER活性,在10 mA·cm−2时的过电位为53.8 mV,并且在70 h的长期稳定性测试后保持了93%的活性,显示出较高的稳定性和良好的催化效果。Khalil和Dincer[46]先使用不导电和导电聚乳酸(PLA)材料利用3D打印技术打印出电极基体,然后用电沉积的方法在3D打印电极基体上制备不同涂层,其中用不导电PLA打印的电极首先涂上导电镍漆,然后再用电沉积法涂覆,称其为镍导电漆(NCP)电极。导电PLA电极简称为PLA电极。具有镍铜涂层PLA电极的产氢速率在前15 min为2.44×10−10 kg·s−1,30 min后降至1.34×10−10 kg·s−1;NCP电极产氢速率在最初的15 min内,产氢速率为2.48×10−10 kg·s−1;30 min后,产氢速率降至1.38×10−10 kg·s−1。Yu等[47]通过粉末冶金法,开发具有分层多孔结构和双相连续分布的Ni2P-Cu3P/NiCuC集成双金属磷化物催化剂。在箔衬底上直接磷酸化制备出多孔NiCuC,图7的SEM和能谱(EDX)结果显示,横向生长的Ni2P聚集体和大量垂直嵌入的Cu3P小颗粒。制备过程中Cu的含量从0增加到40%,当Cu达到30% (NCP-3)时,催化剂表现出优异的性能。NCP-3在电流密度为10 mA·cm−2下的析氢过电位为78 mV,Tafel斜率为177 mV dec−1。

在各类过渡金属基催化剂中虽然有些催化活性优于Ni基催化剂,例如Co基和Mo基催化剂等,但其使用成本较高、 在开采和加工过程中对环境造成一定的影响、 稳定性较差等因素,并不适合大规模应用。
总的来说,目前制备析氢电极的方法主要有液相合成、 化学气相沉积[48]、 电沉积[49–50]、 等离子喷涂[51]、 磁控溅射[52]、 粉末烧结法等。不同制备方法展现出其独特的优势与局限,下文将着重介绍4种主流制备技术——液相合成法、 化学气相沉积、 电化学沉积法以及等离子喷涂技术。
液相合成技术的过程可根据其操作条件的不同,分为几种不同的方法,包括溶剂热/水热处理方法、 氧化还原反应方法、 溶胶-凝胶技术、 水解反应及沉淀技术(包括直接沉淀、 共沉淀和均质沉淀技术)等,液相合成技术特别适合于操作过程简化、 不需要复杂的设备投入、 操作灵活且能精确控制,能够高效地合成多种复杂的结构,具有很好的选择性。Zhang等[25]采用水热法和电沉积法在基底为NM制备了Pt-Ni(OH)2@NM催化剂。先在纳米表面用水热法生长Ni(OH)2纳米线/纳米片阵列,再使用电沉积法制备目标催化剂Pt-Ni(OH)2@NM。Pt-Ni(OH)2@NM在纳米基板上具有较大的几何面积和高导电性,保证了电荷和气体产物(H2和O2)的快速转移以及催化剂表面与电解质之间的充分接触。由于使用超低量的Pt,电极的材料成本仅增加了0.002 $·cm−2,该电极在碱性电解质中表现出优异的HER催化活性,当电流密度达到100 mA·cm−2时,仅需68 mV的析氢过电位。姜媛媛等[36]通过水热和磷化两步反应,制备出三维镍网负载CoP珠链状纳米阵列。其在电流密度达到10 mA·cm−2时,析氢过电位仅为95 mV,Tafel斜率为41.5 mV·dec−1。Ren等[53]通过水热条件下的原位腐蚀生长和热还原过程,制备了泡沫镍上Ni-MoO2异质结的整体催化剂(Ni-MoO2/NF),该催化剂展现出卓越的HER催化性能,在不同电流密度为10,50和100 mA·cm−2条件下,其析氢过电位分别为49,117和153 mV。如图8所示,纪晓阳[54]采用水热法和气相磷化法在泡沫镍上生长了Co2P。由图8(a,e,i)可知,水热法合成的Co2P呈珊瑚状,均匀生长在泡沫镍基底上。图8(b,f,j)和图8(c,g,k)分别为5000次(Co2P-5000)以及15000次循环伏安扫描后(Co2P-15000)宏观到微观的组织形貌变化。可见,随着循环伏安扫描次数增加,获得的样品比原始Co2P纳米棒更细且具有更大的比表面积。较大的比表面积增强了材料与电解质的接触效率且能够提供更多的电催化活性位点,这不仅有利于水分子的吸附与脱附,还能促进中间产物的反应进程,从而有效提升离子传输和电子转移速率。从图8(d,h,i)可以看出,15000次循环伏安扫描后最终形成的Pt-Co2P/NF电极,且其在电流密度为10 mA·cm−2下的过电位为13 mV;在电流密度为100 mA·cm−2下的过电位为133 mV,Tafel斜率为28 mV·dec−1。Amirabad等[55]通过聚合和水热操作制备了NiMOF@PANI-rGO(MOF:金属有机骨架,PANI:聚苯胺,rGO:还原氧化石墨烯),并将其用于泡沫镍的无粘结剂表面改性。然后用原位水热技术,使用硫酸与苯胺-氧化石墨烯混合溶液在polyaniline@GO (PANI-GO)上合成了原位Ni-MOF,研究了Ni-MOF@PANI-rGO在1.0 mol·L−1 KOH条件下对HER的电催化活性。结果表明,Ni-MOF@PANI-rGO作为合适的电催化剂,展现出较低的析氢过电位135mV(电流密度为10mA·cm−2)和最优的Tafel斜率(110 mV·dec−1)。但是液相合成法操作较为复杂、 对反应条件的控制要求较高、 溶剂处理和回收的成本要求较高,在大规模应用上对能耗控制和经济性等有着不小的挑战。

CVD工艺中的化学成分很复杂,通常由气相反应和表面反应的混合物组成。载气和/或扩散将挥发性前体输送到反应区,前驱体既可以与其他反应气体反应,也可以在气相时分解(均相反应),也可以吸附在基底表面并与反应气体反应或分解(非均相反应),这两种反应的结果都是在基材上形成固体薄膜和气态副产物。正是这种化学过程将CVD与蒸发、 溅射和分子束外延等物理沉积过程区分开来。Frederiksen等[56]采用湿法化学沉积-热分解法制备Co-Co(OH)2电催化剂,并将其充分覆盖于泡沫镍载体上,制备了以泡沫镍为底物的羟基碳酸钴纳米线阵列(NWAs),再通过CVD工艺将前驱体转化为预催化剂(Co-Co(OH)2/NF电催化剂)。Co-Co(OH)2/NF电催化剂在三电极配置、 室温N2和1 mol·L−1 KOH以及电流密度为10 mA·cm−2测试条件下的析氢过电位低至78 mV。在工业相关的测试条件下(双电极配置、 80 ℃和30%KOH(质量分数))进一步验证了钴基电催化剂的改进性能,证实了与原始Ni相比,通过将氢电压降低约200 mV来提高活性。Ali等[57]在650 ℃下通过CVD工艺,以镍铁-二氧化硅纳米复合材料作为纳米催化剂,合成了类似于鲱鱼骨石墨纳米纤维(H-GNFs)的独特形态的石墨纳米纤维,并将其应用于HER催化活性研究。结果表明,所制备的H-GNFs电催化材料在电流密度为10 mA·cm−2时显示出95 mV的析氢过电位,仅比商用Pt/C(20%Pt)高46 mV。Liu等[58]在三维纳米多孔镍上制备了异质结构的MoS2-Ni3S2纳米球,MoS2和Ni3S2之间的界面可以描述为超薄纳米片MoS2垂直附着在纳米片Ni3S2上形成异质界面。异质结构MoS2-Ni3S2纳米球的制备流程图如图9所示,并利用CVD步骤的温度依赖实验来评估纳米MoS2的演化过程,为MoS2的合成提供参考。得益于独特的纳米球形异质结构,MoS2-Ni3S2催化剂的过电位相对较低,电流密度为10 mA·cm−2下的HER的过电位为109 mV,Tafel斜率为81 mV·dec−1。

电沉积被认为是制备催化剂层的相对简单和廉价的方法,通过电沉积获得的非平衡结构具有较强的催化活性[59–60]。Gojgić等[61]在1 mol·L−1 KOH和25 ℃条件下,在不同孔径(450~1200 µmol·L−1)的泡沫镍上通过电沉积将镍锡合金沉积在泡沫镍上。在电流密度为200 mA·cm−2时,通过电沉积在泡沫镍上沉积镍锡合金的催化活性,比在未经修饰的泡沫镍的析氢过电位低427 mV,而Tafel斜率从未经修饰的泡沫镍的120 mV·dec−1降低到50 mV·dec−1。制备的样品在电流密度为100 mA cm−2时达到的最低析氢过电位(低至77 mV)。Shen等[62]采用简单、 经济的两步水热法和电沉积法分别在泡沫镍上合成了高孔隙度的三维无粘结剂非晶结构NiFeO/NiMo纳米球。NiFeO/NiMo/NF独特的结构由一个薄的、 相对多孔的多晶/非晶层组成。结果表明,多孔NiFeO/NiMoO/NF电极对碱性水电解HER具有良好的长期稳定性和较好的催化活性(驱动电流密度(j)为10 mA·cm−2需要46 mV)。在1 mol·L−1 KOH条件下具有最佳的HER催化性能,产生10 mA cm−2的电流密度需要46 mV的析氢过电位,以及140 h的析氢耐久测试。邓子华等[63]采用电化学沉积和电化学氧化处理泡沫镍电极,分析对比不同电沉积时间、 电流密度、 镀液浓度和电氧化圈数制备的泡沫镍。结果表明,沉积时间对总制氢效率起决定性作用。特别是,经过10 min电沉积,摩尔比为镍3∶铜1,沉积电流密度为−0.25 A·cm−2,10圈氧化后所制得的NiCu/Ni(OH)2/NF催化剂组装的电极获得了最佳的结构、 形态和电化学特性,具有较低的Tafel斜率,电流密度为10 mA cm−2时析氢过电位为56.76 mV。Xing等[64]利用高温水解法合成出C-SnO2复合颗粒,并采用复合电解沉积技术制备了具有高HER催化活性的Ni/C-SnO2电极。Ni/C-SnO2电极显示出比Ni涂层更高的交换电流密度和更低的析氢过电位。分析原因可能是,C-SnO2的共沉积细化了Ni的结晶,扩大了镀层的活性表面积。而C-SnO2的共沉积改变了Ni向(111)晶面的择优取向,更有利于HER的产生。且C-SnO2的加入提高了复合涂层的导电性,加快了HER的速率。Ren等[65]通过电沉积氢氧化镍,制备了泡沫镍表面的氮化镍-氢(氧)氧化镍(Ni3N-Ni(OH)2)紧密耦合异质结构(Ni3N-Ni(OH)2/NF),制备过程示意图如图10所示。制备的Ni3N-Ni(OH)2/NF表现出优异的HER活性和稳定性,在电流密度为10 mA·cm−2时的析氢过电位为91 mV,远低于Ni (229 mV);Tafel斜率为70 mV·dec−1,优于碱性介质中大多数非贵重HER电催化剂。然而,通过电化学/气相沉积修饰电极表面的过程存在操作复杂、 能耗大、 涂层厚度不可抗等缺点,研究学者开始寻找更适合大规模使用的方法。
除了CVD[66]和电沉积[67],还有等离子体喷涂[68–71]和其他热机械方法[72],其中等离子体喷涂已被证明是一种很有前途的电极制造工艺,其是一种快速成型表面改性工艺,可以在很短的时间内赋予表面所需的功能和结构。
等离子喷涂非常适合在大表面积上制备电极,其对工业生产具有极大的吸引力。这种技术可在受控环境下进行,包括真空等离子喷涂(VPS)、 低压等离子喷涂(LPPS)以及APS等方式,VPS在真空环境下进行,可以得到更加密集和均匀的涂层,几乎不含氧化杂质,但是与其他方式相比,其设备及运营的成本较高,因此,在工业生产中更常见的是使用APS,其设备示意图如图11所示[73]。Kim等[74]使用镍铝粉末和镍网,采用APS技术、 铝浸出和氢退火法制备了镍电极。其在300 mA·cm−2电流密度下,拥有108 mV的析氢过电位和54 mV·dec−1的Tafel斜率,显示了出色的析氢反应性能。镍铝合金涂层中含有NiAl相,在碱性溶液中Al的浸出速率非常慢,电极在H2气氛下热处理增强了涂层中Al分布的均匀性和涂层与基体的附着力。对镍铝合金粉末包覆电极进行氢热处理后,Al浸出后NiAl相消失,Ni晶粒尺寸减小至6.7 nm,但电极的HER性能几乎没有变化。然而,失活实验结果表明,由于氢热处理减少了电极中的Al量,晶粒尺寸增加了6倍,导致失活速度加快。Razmjooei等[19]通过APS工艺制备了雷尼镍型镍钼(Ni-Mo)电极,并通过精确控制等离子体气体流速和等离子体输入功率条件,制备5组样品(1~5号),分别对应最低、 低、 中、 高、 最高气体率和输入等离子体功率制备的样品。结果表明,随着输入等离子体功率和流量的增加,粉末在飞行等离子体中获得了更高的速度和动量,所得到的电极涂层在活化后具有更细、 更大的孔隙和合适的Ni和Mo含量,从而提高了HER活性。当在碱性条件下测试制备样品作为HER电极时,特别4号样品,在碱性电解质中,三电极体系的过电位较低,为80 mV。Aghasibeig等[75]使用微米级和亚微米级粉末,通过结合APS和悬浮等离子喷涂(SPS)技术,制备了具有优良电催化性能的电极。作者在APS层表面添加SPS层,形成了亚微米级的菜花状结构,这种结构使电极的电催化活性得到了增强,这主要归因于交换电流密度的提高,尤其是在250 mA·cm−2电流密度下展现了386 mV的析氢过电位和较高的交换电流密度。宋嘉薇[76]通过改变Al含量制备了3种不同比例的镍铝粉末,采用APS在冲孔圆镍片上制备梯度多孔样品电极。由于样品在制备过程中形成了具有梯度变化的多孔结构,这一特性使得电解过程中产生的气体能够被高效地排出。当电流密度达到10 mA·cm−2时,电极具有96 mV的析氢过电位和112 mV·dec−1的Tafel斜率。Liang等[73]采用等离子喷涂的方法将镍铝合金粉末与泡沫镍熔接在一起,制备了以镍铝合金涂层作为电极表面改性层的氢电极。结果表明,在相同析氢电流密度(0.2 mA·cm−2)下,纯镍电极的析氢电位为1.09 V,镀镍铝电极的析氢电位为1.01 V,变化了0.08 V,表明制备的镀镍铝电极具有较高的催化活性。电化学阻抗谱(EIS)数据和计时电流法(CA)测试结果表明,制备的镀镍铝电极的电化学电阻低于镀镍电极,并表现出良好的析氢性能;在碱性溶液中长时间工作时具有稳定的析氢活性。
等离子体喷涂法所制备出的涂层具有工艺稳定、 涂层质量高、 不使用有机溶剂、 减少污染、 生产效率高等优势,在大规模制备中展现其优势,喷涂过程中,材料的利用率可能不高,导致一部分材料被浪费也需要在实际应用中加以考虑。
贵金属因其使用成本昂贵而不能大规模使用。非贵金属中Co,Mo等虽然氢吸附自由能相对于Ni较为优异,但因其存储量低、 价格高昂等因素也不能大规模使用。而Ni作为非贵金属,因其储量丰富、 拥有较低的氢吸附自由能,在碱水制氢电极领域具备极大的应用潜力。Ni基材料作为电解水析氢催化剂有许多优点:催化活性高、 稳定性好、 制备过程低污染等,在碱水制氢领域的前景广阔;且相对于Pt等贵金属/非贵金属复合材料,其丰富的储量、 较低的价格,使得Ni基催化剂在大规模生产和应用中更具经济性和可行性。
目前,Ni基催化剂在HER领域开展了广泛的研究,Volmer步骤是HER中最慢的步骤,想要提高整体效率,从而有利于Volmer步骤的进行,应尽可能的让氢吸附自由能无限接近于0。因此开发出高效、 廉价、 长使用寿命的Ni基电极,是大部分研究学者设计催化剂主要遵循的原理。目前,对催化剂表面结构(包括形貌、 原子组成等)也开发了多种利于析氢的设计,例如通过复合材料制备性能优异基体、 增加析氢通道、 增大比表面积以提高催化剂的催化活性;制备工艺由单一逐渐转为多种方式结合,以此提高HER性能。例如:大气等离子喷涂-悬浮等离子喷涂相对于单一的大气等离子喷涂方法显著提升了比表面积,增加了活性位点进而提升HER性能,这也是未来制备大规模催化剂可参考的思路。
在现有Ni-Al,Ni-Mo,Ni-Pb,Ni-La,Ni-Cu-P,Ni-Mo-Fe等基础上非贵金属镍基仍然存在着稳定性不足、 活性不可控等问题,三元乃至四元催化剂仍需要不断探索。近年来,机器学习被逐渐用于优化制备工艺参数、 设计镍基多元催化剂比例并分析优化减少氢吸附自由能,使其无限接近于0以此提高整体析氢反应速率、 加快研究进展等,对提高反应过程中的稳定性、 增加析氢量以及降低析氢过电位有重要参考价值。
Kumar S S,Himabindu V. Hydrogen production by PEM water electrolysis–a review [J]. Materials Science for Energy Technologies,2019,2(3):442.
Serov A,Artyushkova K,Niangar E,Wang C,Dale N,Jaouen F,Sougratic M T,Jia Q,Mukerjee S,Atanassov P. Nano-structured non-platinum catalysts for automotive fuel cell application [J]. Nano Energy,2015,16:293.
Dubouis N,Grimaud A. The hydrogen evolution reaction:from material to interfacial descriptors [J]. Chemical Science,2019,10(40):9165.
Chen Z J,Duan X G,Wei W,Wang S B,Ni B J. Recent advances in transition metal-based electrocatalysts for alkaline hydrogen evolution [J]. Journal of Materials Chemistry A,2019,7(25):14971.
Quaino P,Arce M D,Santos E,Schmickler W. A first principles study of the hydrogen reaction in alkaline media:OH effect [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(19):14796.
Yang Y J,Yu Y H,Li J,Chen Q R,Du Y L,Rao P,Li R S,Jia J M,Kang K Y,Deng P L,Shen Y J,Tian X L. Engineering ruthenium-based electrocatalysts for effective hydrogen evolution reaction [J]. Nano-Micro Letters,2021,13:1.
Zheng Y,Jiao Y,Zhu Y H,Li L H,Han Y,Chen Y,Jaroniec M,Qiao S Z. High electrocatalytic hydrogen evolution activity of an anomalous ruthenium catalyst [J]. Journal of the American Chemical Society,2016,138(49):16174.
Mohammed I J,Sun X M. Recent progress on earth abundant electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER)in alkaline medium to achieve efficient water splitting-a review [J]. Journal of Energy Chemistry,2019,34:111.
Ursua A,Gandia L M,Sanchis P. Hydrogen production from water electrolysis:current status and future trends [J]. Proceedings of the IEEE,2012,100(2):410.
Smolinka T,Bergmann H,Garche J,Kusnezoff M. Electrochemical Power Sources:Fundamentals,Systems,and Applications.Chapter 4-The History of Water Electrolysis From its Beginnings to the Present [M]. Elsevier,2022. 83.
Balat M. Potential importance of hydrogen as a future solution to environmental and transportation problems [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2008,33(15):4013.
Zhang J,Wang T,Liu P,Liao Z Q,Liu S H,Zhuang X D,Chen M W,Zschech E,Feng X L. Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics [J]. Nature communications,2017,8(1):15437.
Zhu J,Hu L S,Hu L S,Zhao P X,Lee L Y S,Wong K Y. Recent advances in electrocatalytic hydrogen evolution using nanoparticles [J]. Chemical Reviews,2019,120(2):851.
Zou X X,Zhang Y. Noble metal-free hydrogen evolution catalysts for water splitting [J]. Chemical Society Reviews,2015,44(15):5148.
Razmjooei F,Liu T K,Azevedo D A,Hadjixenophontos E,Reissner R,Schiller G,Ansar S A,Friedrich K A. Improving plasma sprayed Raney-type nickel-molybdenum electrodes towards high-performance hydrogen evolution in alkaline medium [J]. Scientific Reports,2020,10(1):10948.
Raoof J B,Ojani R,Esfeden S A,Nadimi S R. Fabrication of bimetallic Cu/Pt nanoparticles modified glassy carbon electrode and its catalytic activity toward hydrogen evolution reaction [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(9):3937.
Döner A,Solmaz R,Kardaş G. Enhancement of hydrogen evolution at cobalt-zinc deposited graphite electrode in alkaline solution [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(13):7391.
Zhang J Y,Dang J,Zhu X D,Ma J G,Ouyang M,Yang F Y. Ultra-low Pt-loaded catalyst based on nickel mesh for boosting alkaline water electrolysis [J]. Applied Catalysis B:Environmental,2023,325:122296.
Pletcher D,Li X H. Prospects for alkaline zero gap water electrolysers for hydrogen production [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(23):15089.
Lin L,Yang Z X,Chen K,Wang C D,Xiong R J. 2D layered double hydroxides for oxygen evolution reaction:from fundamental design to application [J]. Advanced Energy Materials,2019,9(17):1803358.
Zhao J,Zhang J J,Li Z Y,Bu X H. Recent progress on NiFe‐based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction [J]. Small,2020,16(51):2003916.
Kuznetsov V V,Gamburg Y,Zhulikov V V,Krutskikh V M,Filatova E A,Trigub A L,Belyakova O A. Electrodeposited NiMo,CoMo,ReNi,and electroless NiReP alloys as cathode materials for hydrogen evolution reaction [J]. Electrochimica Acta,2020,354:136610.
Hua Z S,Wu X B,Zhu Z L,He J W,He S W,Liu H,Xu L,Yang Y X,Zhao Z. One-step controllable fabrication of 3D structured self-standing Al3Ni2/Ni electrode through molten salt electrolysis for efficient water splitting [J]. Chemical Engineering Journal,2022,427 131743.
Wen D F,Mao Y,Xia Y,Mai W S,Zhang Z Q,Zhang W T,Peng W D,Hu W,Tian L H. CoP nanoplates dotted with porous Ni3S2 nanospheres for the collaborative enhancement of hydrogen production via urea-water electrolysis [J]. Applied Surface Science,2022,586:152736.
Zhang J T,Zhang Z,Yao Y J,Ma X Z,Yang Y B,Chen Y,Cheng Z D. In situ construction of Ni enriched porous NiAl as long-lived electrode for hydrogen evolution at high current densities [J]. Applied Surface Science,2019,489:435.
Zhou J B,Wang C,Lu K H. The effect of cobalt complex on the activity of the nickel electrode [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2016,41(36):16009.
Liu Y,Xing Y Y,Zheng X Y,Xu S J,Li D,Jiang D L. Synergistically enhancing electrocatalytic activity of Co2P by Cr doping and P vacancies for overall water splitting [J]. Applied Surface Science,2022,600:154099.
Chen H P,Qiao S Z,Yang J,Du X W. NiMo/NiCo2O4 as synergy catalyst supported on nickel foam for efficient overall water splitting [J]. Molecular Catalysis,2022,518:112086.
Hwang J Y,Kim J Y,Youn D H. In-situ construction of Mo2C–MoC heterostructure on Ni foam for efficient hydrogen evolution in alkaline media [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2023,2(49):58.
Zhou X Y,Yang T T,Zi Y J,Li T,Yang J,Tang J J. Self-supporting NiMo-Fe-P nanowire arrays as bifunctional catalysts for efficient overall water splitting [J]. Dalton Transactions,2023,52(11):3508.
Xu Z X,Jin S,Seo M H,Wang X L. Hierarchical Ni-Mo2C/N-doped carbon Mott-Schottky array for water electrolysis [J]. Applied Catalysis B:Environmental,2021,292:120168.
Zuo P,Ji X,Lu J,Chai Y,Jiao W,Wang R. N,P co-doped Ni/Mo-based multicomponent electrocatalysts in situ decorated on Ni foam for overall water splitting [J]. Journal of Colloid and Interface Science,2023,645(1):895.
Liu M S,Chen T,Zhang W X,Wei S,Cheng Y J,Liu J Q. In situ construction of pollen-petal-like hetero structured Co3O4-CeO2 on 3D FeNi3 foam as a bifunctional catalyst for overall water splitting [J]. Sustainable Energy & Fuels,2021,5(7):2181.
Khalil M,Dincer I. An investigation of hydrogen production using 3D-printed cathodes for alkaline water electrolysis [J]. Energy Conversion and Management,2024,302:118169.
Yu L P,Zhang J,Dang Y L,He J K,Tobin Z,Kerns P,Dou Y H,Jiang Y,He Y H,Suib S. In situ growth of Ni2P-Cu3P bimetallic phosphide with bicontinuous structure on self-supported NiCuC substrate as an efficient hydrogen evolution reaction electrocatalyst [J]. ACS Catalysis,2019,9(8):6919.
Chen W,Fan Z L,Zeng G F,Lai Z P. Layer-dependent supercapacitance of graphene films grown by chemical vapor deposition on nickel foam [J]. Journal of Power Sources,2013,225:251.
Frei M,Köhler C,Dietel L,Martin J,Wiedenmann F,Zengerle R,Kerzenmacher S. Pulsed electrodeposition of highly porous Pt alloys for use in methanol,formic acid,and glucose fuel cells [J]. ChemElectroChem,2018,5(7):10133.
Zou X L,He Y Y,Sun P,Zhao J,Cui G F. A novel dealloying strategy for fabricating nanoporous silver as an electrocatalyst for hydrogen peroxide detection [J]. Applied Surface Science,2018,447:542.
Kellenberger A,Vaszilcsin N,Brandl W,Duteanu N. Kinetics of hydrogen evolution reaction on skeleton nickel and nickel-titanium electrodes obtained by thermal arc spraying technique [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(15):3258.
Giarratano F,Arzac G M,Godinho V,Hufschmidt D,De Haro M J,Montes O,Fernández A. Nanoporous Pt-based catalysts prepared by chemical dealloying of magnetron-sputtered Pt-Cu thin films for the catalytic combustion of hydrogen [J]. Applied Catalysis B:Environmental,2018,235:168.
Ren J T,Wu X M,Liu T,Chen L,Hao R,Song Y J,Liu Y P,Yuan Z Y. Interfacing nickel with molybdenum oxides as monolithic catalyst to accelerate alkaline hydrogen electrocatalysis with robust stability [J]. Applied Catalysis. B,Environmental,2022,317:121786.
Amirabad T N,Ensafi A A,Mousaabadi K Z,Rezaei B,Demir M. Binder-free engineering design of Ni-MOF ultrathin sheet-like grown on PANI@GO decorated nickel foam as an electrode for in hydrogen evolution reaction and asymmetric supercapacitor [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2023,48(76):29471.
Frederiksen M L,Kragh-Schwarz M V,Bentien A,Nielsen L P,Lu P. Performance of Co-Co(OH)2 coated nickel foam as catalysts for the hydrogen evolution reaction under industrially relevant conditions [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2023,49:668.
Ali Z,Mehmood M,Ghazi Z A. Herring bone graphitic nanofibers grown on NiFe-silica nanocomposites by CVD method for HER activity in alkaline media [J]. Materials Letters,2021,305:130838.
Liu H R,Ouyang D,Zhou Q,Feng C C. Successional heterostructure MoS2-Ni3S2 nanospheres based on 3D nano-porous Ni:an efficient electrocatalyst for overall water splitting [J]. Journal of Alloys and Compounds,2022,920:165243.
Kublanovsky V S,Yapontseva Y S. Electrocatalytic properties of Co-Mo alloys electrodeposited from a citrate-pyrophosphate electrolyte [J]. Electrocatalysis,2014,5(4):372.
Kuznetsov V V,Kalinkina A A,Pshenichkina T V,Balabaev V V. Electrocatalytic properties of cobalt-molybdenum alloy deposits in the hydrogen evolution reaction [J]. Russian Journal of Electrochemistry,2008,44(12):1350.
Gojgić J D,Petričević A M,Rauscher T,Bernäcker C I,Weißgärber T,Pavko L,Vasilić R,Pajić M N,Jović V D. Hydrogen evolution at Ni foam electrodes and Ni-Sn coated Ni foam electrodes [J]. Applied Catalysis A:General,2023,663:119312.
Shen Y,Wu P,Wang C,Yuan W,Yang W L,Shang X. Electrodeposition of amorphous Ni-Fe-Mo composite as a binder-free and high-performance electrocatalyst for hydrogen generation from alkaline water electrolysis [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2023,48(85):33130.
Xing L H,Meng F X,Hao Y G,Shi X T,Wang Y X. Electrodeposited Ni/C-SnO2 composite electrode materials for hydrogen evolution reaction in alkaline electrolyte [J]. International Journal of Electrochemical Science,2023,18(4):100089.
Ren J T,Wang Y S,Song Y J,Chen L,Yuan Z Y. Interface engineering of in-situ formed nickel hydr(oxy)oxides on nickel nitrides to boost alkaline hydrogen electrocatalysis [J]. Applied Catalysis B:Environmental,2022,309:121279.
Kuang P Y,Tong T,Fan K,Yu J G. In situ fabrication of Ni-Mo bimetal sulfide hybrid as an efficient electrocatalyst for hydrogen evolution over a wide pH range [J]. ACS Catalysis,2017,7(9):6179.
Ahmad Y H,Mohamed A M,Golden T D,D'Souza N. Electrodeposition of nanocrystalline Ni-Mo alloys from alkaline glycinate solutions [J]. International Journal of Electrochemical Science,2014,9(11):6438.
Zheng Y,Jiao Y,Vasileff A,Qiao S Z. Hydrogen evolution reaction in alkaline solution:from theory,single crystal models,to practical electrocatalysts [J]. Angewandte Chemie International Edition,2017,57(26):7568.
Wang L,Weissbach T,Reissner R,Ansar A,Gago A S,Holdcroft S,Friedrich K A. High performance anion exchange membrane electrolysis using plasma-sprayed,non-precious-metal electrodes [J]. ACS Applied Energy Materials,2019,2(11):7903.
Schiller G,Henne R,Borck V. Vacuum plasma spraying of high-performance electrodes for alkaline water electrolysis [J]. Journal of Thermal Spray Technology,1995,4:185.
Kraglund M R,Carmo M,Schiller G,Ansar S A,Aili D,Christensen E,Jensen J O. Ion-solvating membranes as a new approach towards high rate alkaline electrolyzers [J]. Energy & Environmental Science,2019,12(11):3313.
Bhole S D,Nemade J B,Collins L,Liu C. Effect of nickel and molybdenum additions on weld metal toughness in a submerged arc welded HSLA line-pipe steel [J]. Journal of Materials Processing Technology,2006,173(1):92.
Liang X H,Wu X,Li X Q,Mao J,Gai Q X. Preparation of NiAl coated nickel foam cathode for alkaline water electrolysis using atmospheric plasma spraying [J]. International Journal of Electrochemical Science,2020,15(6):5916.
Kim J E,Bae K K,Park C S,Jeong S U,Baik K H,Kim J W,Kang K S,Lee K B,Kim Y H. Electrochemical characterization of Raney nickel electrodes prepared by atmospheric plasma spraying for alkaline water electrolysis [J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2019,70:160.
Aghasibeig M,Dolatabadi A,Wuthrich R,Moreau C. Three-dimensional electrode coatings for hydrogen production manufactured by combined atmospheric and suspension plasma spray [J]. Surface and Coatings Technology,2016,291:348.