固定在还原氧化石墨烯上的双金属层状双氢氧化物作为电化学水分解的双功能电催化剂

《RSC Advances》：Bimetallic layered-double hydroxides anchored on reduced graphene oxide as a bifunctional electrocatalyst for electrochemical water splitting

双金属NiMo–LDH纳米片通过水热法成功负载于还原石墨烯氧化物（rGO），形成高效稳定的复合催化剂。在1.0 M KOH中，7% rGO负载的NiMo–LDH@rGO/GCE表现出230 mV的极低过电位和60 mV dec?1的Tafel斜率，归因于rGO与NiMo–LDH的协同效应优化了电荷分离与转移。同时，该催化剂在0.5 M H?SO?中HER过电位为225 mV，展现出双功能电催化活性。ECSA测试显示其比表面积达1200.5 cm2，电化学阻抗谱证实低电荷转移电阻（20.99 Ω），且经过29小时稳定性测试后性能保持稳定。

　　在当今社会，随着全球能源需求的不断上升，环境问题也日益突出，因此，寻找可再生能源和清洁的替代方案已成为推动可持续发展的关键任务。传统的化石燃料不仅资源有限，而且在使用过程中会产生大量的二氧化碳等温室气体，对环境造成严重影响。因此，开发一种高效、环保的氢气生产方法显得尤为重要。氢气作为一种绿色能源载体，因其高能量密度、零碳排放以及可重复利用等特性，被认为是未来可持续能源系统的重要组成部分。然而，目前主流的制氢方法——蒸汽甲烷重整法，不仅依赖于高温条件，还伴随着大量的二氧化碳排放，这使得其难以成为理想的绿色制氢途径。因此，研究者们将目光转向了通过电解水制氢的方法，该方法在温和条件下进行，仅产生水作为副产物，具备较高的能量效率和环境友好性。

尽管电解水制氢具有诸多优势，但其实际应用仍面临一些挑战，主要体现在成本较高、反应效率较低以及难以大规模应用等方面。为了克服这些限制，科学家们致力于开发经济高效且具备双功能催化性能的材料，这些材料能够同时促进氢气和氧气的析出反应。双功能催化剂的出现为解决这一问题提供了新的思路，它们不仅能够降低反应所需的过电位，还能提升反应速率，从而提高整体的水裂解效率。其中，层状双氢氧化物（LDHs）因其独特的结构和优异的催化性能，成为近年来研究的热点之一。LDHs的层状结构为反应提供了丰富的活性位点，同时其层间阴离子能够调节电荷分布，增强催化活性。此外，引入碳基材料如还原氧化石墨烯（rGO）可以进一步优化LDHs的性能，提升其导电性、稳定性和反应活性。

本研究中，科研团队通过简单的水热法，成功合成了NiMo–LDH纳米片，并将其与rGO结合，形成了一种新型的双功能电催化剂NiMo–LDH@rGO。这种复合材料不仅保留了LDH的结构优势，还通过rGO的引入提升了其导电性和稳定性。通过FTIR、XRD、SEM、EDS和XPS等多种表征手段，研究人员对材料的物理化学性质进行了系统分析。结果显示，当rGO含量为7%时，NiMo–LDH@rGO表现出最佳的催化性能。在1.0 M KOH溶液中，该材料对氧气析出反应（OER）表现出极低的过电位（230 mV）和较小的塔菲尔斜率（60 mV dec?1），在10 mA cm?2的电流密度下能够实现高效的OER。同时，该材料在0.5 M H?SO?溶液中也展示了良好的氢气析出反应（HER）性能，其过电位和塔菲尔斜率均优于其他电催化剂。这些优异的性能主要归因于rGO与NiMo–LDH之间的协同效应，包括增强的电荷分离和传输能力，以及改善的活性位点暴露。

为了进一步评估该材料的性能，研究人员还通过电化学阻抗谱（EIS）和恒电流电解测试（chronoamperometry）对其稳定性进行了验证。EIS结果显示，NiMo–LDH@7%rGO/GCE具有最低的电荷转移电阻（Rct），表明其在电化学反应中具备高效的电荷传输能力。而chronoamperometry测试则表明，该材料在29小时的长时间运行中，电流密度保持稳定，显示出良好的耐久性。这些结果表明，NiMo–LDH@7%rGO不仅具备优异的催化活性，还具有良好的稳定性和可回收性，为实际应用提供了有力支持。

在实际应用中，电催化剂的性能不仅取决于其自身的结构和组成，还受到其表面特性、电子结构以及与电解液之间的相互作用等因素的影响。本研究通过系统分析不同rGO含量对催化性能的影响，发现7%的rGO含量能够最大程度地提升NiMo–LDH的催化效率。这一发现不仅有助于优化材料设计，还为未来开发高性能、低成本的电催化剂提供了理论依据和实验支持。此外，通过XPS分析，研究人员进一步确认了Ni和Mo在材料中的氧化状态及其对催化性能的影响。Ni3?和Ni2?的存在为OER提供了活性位点，而Mo的高氧化态则有助于提升材料的导电性和电子转移效率。

除了催化性能的提升，该材料的结构优化也是其性能优异的重要原因之一。通过FE-SEM和EDS分析，研究人员发现随着rGO含量的增加，NiMo–LDH的结构变得更加开放和互联，这有助于提升材料的比表面积，从而增强其对反应物的吸附能力和对产物的脱附效率。同时，rGO的引入有效防止了LDH纳米片的重叠，增加了电化学活性表面积（ECSA），进一步促进了反应的进行。这些结构上的优化使得NiMo–LDH@7%rGO在实际应用中能够表现出更高的催化活性和更长的使用寿命。

在研究过程中，科研团队还对材料的双功能性能进行了深入探讨。他们通过比较不同催化剂的过电位和塔菲尔斜率，发现NiMo–LDH@7%rGO在OER和HER方面均表现出优异的性能，这使其成为一种极具潜力的双功能电催化剂。此外，研究还指出，rGO的引入不仅有助于提升材料的导电性，还能够增强其对电解液中离子的传输能力，从而加快反应速率。这些特性使得NiMo–LDH@7%rGO在水裂解反应中能够实现更高的电流密度和更低的过电位，为绿色氢能的发展提供了新的材料选择。

综上所述，本研究通过水热法成功合成了NiMo–LDH@rGO复合材料，并系统评估了其在OER和HER中的催化性能。结果显示，该材料在7%的rGO含量下表现出最佳的性能，其过电位和塔菲尔斜率均优于其他已报道的电催化剂。同时，材料的结构优化和电荷传输能力的提升进一步增强了其催化效率和稳定性。这些发现不仅为开发高效的双功能电催化剂提供了新的思路，也为实现可持续的氢能经济奠定了坚实的基础。未来，随着材料科学和电化学技术的不断进步，NiMo–LDH@rGO有望在大规模水电解制氢系统中发挥重要作用，推动绿色能源技术的发展。