低结晶度的MnO?-FeOOH超薄纳米片阵列，经过非晶态镍硼酸盐修饰后，能够实现高效且持续的海水氧化过程，适用于工业应用

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Low-crystalline MnO 2-FeOOH ultrathin nanosheet array decorated with amorphous nickel borate enables efficient and sustained industrial seawater oxidation

海水电解氧化中氧析出反应（OER）电极的活性与抗腐蚀性不足问题，通过构建Fe泡沫支撑的缺陷富集低晶态MnO?-FeOOH异质结构纳米片阵列，并表面修饰NiBi层实现协同优化。该设计兼具高活性（加速*OOH去质子化步骤）、超润湿特性（促进电解质渗透与气泡脱附）及抗Cl?腐蚀能力（异质结构与NiBi协同作用），在工业级电流密度下展现出卓越的OER性能与稳定性。

　　海水电解技术为大规模氢气生产提供了一种具有前景的途径，然而，这一技术在实际应用中面临的主要障碍是缺乏高效、选择性好且耐腐蚀的氧析出反应（OER）阳极。为了克服这一难题，研究人员提出了一种多层电极结构，该结构以铁泡沫为支撑，采用富含缺陷的非晶态NiBi修饰的低结晶度MnO?-FeOOH异质结超薄纳米片阵列，从而实现了在工业级电流密度下的高效且持续的海水氧化反应。通过实验与理论研究，低结晶度MnO?-FeOOH异质结纳米片阵列的设计，结合表面非晶态NiBi的修饰，不仅能够提供更多的活性位点，还能调控电子结构，加快决定性步骤——*OOH脱质子化过程，从而提升OER的内在催化活性。同时，这种结构还赋予了电极独特的超润湿特性（超亲水性和超疏气性），增强了质量传递效率。最终，这种IF/MnO?-FeOOH@NiBi电极在碱性海水中展现出记录级别的OER效率，达到了当前的先进水平。令人印象深刻的是，该电极中固有的抗腐蚀MnO?-FeOOH异质结构与NiBi成分的协同作用，能够进一步增强其对氯离子的耐腐蚀性。这项研究为构建高效、抗腐蚀且具有OER特性的海水氧化阳极开辟了新的前景，通过结合界面工程、结晶度控制和巧妙的结构设计，有望推动海水电解技术的商业化应用。

在自然界中，水的氧化可以通过含氧光合作用进行，并由光系统II（PS II）中的蛋白质包裹的Mn?CaO?氧释放复合物（OEC）完成。Mn?CaO?活性中心与氨基酸外围能够协同催化水氧化反应，展现出极高的效率。受这一自然结构的启发，层状δ-MnO?材料在电化学水氧化方面受到了广泛关注。δ-MnO?具有一定的抗氯腐蚀能力，使其在海水氧化中展现出潜力。然而，其OER效率和耐久性仍需进一步提升，以满足在恶劣条件下进行实际海水电解的需求。

为了克服单一组分催化剂在活性和稳定性方面的限制，研究人员设计了多组分电催化剂，通过掺杂、合金化和界面工程等方法实现。其中，界面工程不仅可以继承各组分的优点，还能呈现出多组分协同效应，导致界面电荷重新分布，从而调节电子结构并优化中间体的吸附能，提高电催化性能。此外，催化剂的结晶度调控也被证明是提升催化性能的有效策略。特别是低结晶度和非晶态结构的催化剂，由于原子排列无序、缺陷丰富以及未饱和配位位点增多，能够暴露高密度的活性中心，提高内在催化活性，从而在催化过程中优于结晶态材料。

在催化剂结构设计方面，二维（2D）超薄纳米片阵列被认为是构建先进阳极材料的理想结构。这种结构不仅能够增加可用于催化反应的暴露活性位点数量，还能有效提升电荷转移和质量扩散效率，为在工业级高电流密度下运行提供了创新的范式。基于上述分析，可以合理地设想，构建具有低结晶度、富含缺陷特征以及二维超薄纳米片阵列结构的MnO?-含纳米复合材料，是实现高效且持久海水氧化的可行途径。然而，制造这种复杂的纳米复合材料尤为具有挑战性，且很少在实验中实现，这主要是由于缺乏可行的制造方法。

在选择与δ-MnO?结合的组分时，研究人员选择了FeOOH作为示范结构，因其成本低廉、环境友好且具有良好的OER活性。FeOOH已被证明能够有效抵抗腐蚀性氯离子的侵蚀，从而实现持续的海水氧化反应。然而，FeOOH仍存在一些问题，如电导率较低（约为10?? S cm?1）、可接触的活性位点不足以及对*OH物种的吸附过强，这些因素都限制了其在高效率OER催化中的应用。此外，已有研究表明，过渡金属硼酸盐（TMBi）是催化OER的理想材料，因为电负性的Bi组分能够降低OER的能量障碍，同时加速电荷转移。有趣的是，Bi组分可以作为质子传递的中继，促进缓慢的OER中与质子耦合的电子转移（PCET）步骤。此外，TMBi还表现出良好的抗盐水腐蚀性能，使其成为构建耐用电催化剂的理想材料，适用于长期的海水电解过程。

基于上述研究思路，本文报告了一种多层电极结构（IF/MnO?-FeOOH@NiBi），该结构以铁泡沫为支撑，采用富含缺陷的低结晶度MnO?-FeOOH异质结超薄纳米片阵列，并在其表面修饰非晶态NiBi。这种电极在碱性海水电解中表现出卓越的OER活性、优异的选择性和强大的稳定性。该电极的制备过程可以通过氧化腐蚀工程结合浸涂工艺实现。其结构设计能够显著提升电极的性能，满足在严苛条件下进行海水电解的高要求。

在制备IF/MnO?-FeOOH电极的过程中，采用了铁腐蚀策略，在水热条件下使用KMnO?作为氧化剂。具体来说，将1.05 mmol的KMnO?溶解在30 mL的蒸馏水中，形成暗紫色的均匀溶液。随后，将该溶液转移至一个50 mL的特氟龙衬不锈钢高压釜中（填充率为60%），并放入一块清洁的铁泡沫，保持在180℃的温度下（升温速率为5℃/min）进行3小时的反应。在自然冷却至室温后，得到样品。这一过程不仅能够有效氧化铁泡沫，还能在铁泡沫表面形成低结晶度的MnO?-FeOOH异质结纳米片阵列。

为了进一步优化电极的性能，研究人员采用了一系列的结构表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）。这些技术用于分析电极的微观结构和表面化学状态。结果显示，IF/MnO?-FeOOH@NiBi电极具有丰富的活性位点，并且其表面修饰的非晶态NiBi能够显著改善电极的润湿性能，使其在工业级高电流密度下表现出优异的催化活性。此外，电极的结构设计确保了其在高压下具有良好的稳定性，避免了催化剂脱落的问题。

在性能测试方面，研究人员采用线性扫描伏安法（LSV）和计时电流法（TCA）对电极的OER活性和稳定性进行了评估。测试结果表明，IF/MnO?-FeOOH@NiBi电极在碱性海水中展现出卓越的OER效率，其电流密度显著高于其他类型的电极。此外，该电极在长时间运行后仍能保持较高的催化活性，显示出良好的稳定性。这些结果表明，该电极能够满足在严苛条件下进行海水电解的需求，为大规模氢气生产提供了可行的解决方案。

在实际应用中，海水电解技术的推广仍面临诸多挑战，包括高成本、低效率以及对催化剂的耐久性要求。本文提出的IF/MnO?-FeOOH@NiBi电极通过巧妙的结构设计，不仅提升了OER的催化活性，还增强了其对氯离子的耐腐蚀性，从而显著提高了海水电解的整体效率。此外，该电极的制备过程相对简单，能够大规模生产，为海水电解技术的商业化应用提供了重要的技术支持。

在进一步研究中，研究人员可以探索更多类型的材料组合，以优化电极的性能。例如，可以尝试引入其他过渡金属硼酸盐（TMBi）成分，或者调整电极的表面修饰方式，以进一步提高其催化活性和稳定性。此外，还可以研究电极在不同pH条件下的性能表现，以确定其在更广泛的应用范围内的适用性。这些研究将进一步推动海水电解技术的发展，使其在未来的能源生产中发挥更大的作用。

综上所述，本文提出了一种新型的多层电极结构，该结构以铁泡沫为支撑，采用富含缺陷的低结晶度MnO?-FeOOH异质结超薄纳米片阵列，并在其表面修饰非晶态NiBi。这种电极在碱性海水中表现出卓越的OER效率，满足了工业级海水电解的需求。通过界面工程、结晶度控制和结构设计的结合，该电极不仅提高了催化活性，还增强了耐腐蚀性，为海水电解技术的商业化应用提供了新的思路和技术支持。这一研究成果为实现可持续能源转换提供了重要的科学依据和实践指导。