《Applied Ocean Research》：Z-scheme BiOBr-BiOI on bentonite for boosted visible-light degradation of cefazolin and rhodamine B
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氧析出反应（OER）高效催化剂开发：基于SLM制备的Ni-Fe-Cr多孔电极通过优化孔隙尺寸（0.65 mm）显著提升活性（较商用Ni泡沫高20倍），兼具低阻抗（低于粉涂电极5%）和长时稳定性（24小时电压漂移仅0.02 V），CrO_x相稳定电极-电解质界面，原位表征揭示了Cr-NiFeOOH活性位点及吸附物种演化机制。
Xin Bi|Zewei Tang|Jianling Liu|Yicheng Bai|Junjie Long|Chao Su|Kechao Zhou|Chao Chen
中南大学粉末冶金研究所，中国长沙
摘要
氧进化反应（OER）的动力学缓慢，继续限制着水分解和其他电化学技术的效率。宏观电极结构与微观催化位点之间的缺乏关联，限制了高性能电极的合理设计。在这项研究中，使用IN718合金作为前驱体，通过选择性激光熔化（SLM）制备了基于Ni–Fe–Cr的多孔电极，确保了结构的可控性和耐久性的提升。优化的多孔结构（孔径0.65毫米）在1.55 V（相对于可逆氢电极RHE）下的OER活性比商用Ni泡沫高出约20倍，表现出比粉末涂层电极更低的阻抗，并且在100 mA cm?2x–NiFeOOH活性位点，而持续的CrOx物种保持了电极-电解质界面的稳定性。互补的原位红外光谱验证了涉及*OH*和*OOH*中间体的吸附物演变机制。这些发现建立了宏观设计与催化界面之间的直接联系，为设计出可靠的基于Ni的合金OER电极提供了策略。
引言
随着化石燃料的枯竭和全球环境危机的加剧，开发用于高效能量转换和储存的可持续电化学技术变得日益紧迫[1]。水分解、可充电金属-空气电池和CO2还原被认为是生成清洁燃料的有前景的途径[2]。然而，它们的实际应用受到低效率和高等材料成本的限制，这主要是由于阳极处氧进化反应（OER）的动力学缓慢[3]。因此，创造高活性和低成本的OER催化剂既是科学挑战，也是实现可再生能源扩展的必要步骤[4]。
目前，像RuO2和IrO2这样的贵金属催化剂被认为对OER具有高活性。然而，它们的稀缺性和高昂的成本严重限制了大规模应用[5]。这促使人们越来越多地研究地球上丰富且经济的非贵金属替代品[6]。在这些替代品中，基于镍的材料（包括氧化物、氢氧化物、钙钛矿、磷酸盐、硫属化合物和硼酸盐）特别具有吸引力，因为它们易于获得、成本效益高，并且具有可调的电子结构，可以提供丰富的催化位点[6,7]。
尽管取得了显著进展，但在实际操作条件下仍存在一些关键问题。(1) 粉末涂层电极通常表现出较差的界面粘附性、有限的电子/离子传输以及在高电流密度下的长期稳定性[[8], [9], [10]]。(2) 多金属催化界面通常显示出增强的OER活性，但体外表征无法完全捕捉氧化重构过程或阐明各个元素和相结构的作用。因此，电极设计往往依赖于试错方法[11,12]。(3) 虽然纳米级工程目前是主要的研究方向，但电极的宏观多孔结构也对气泡释放、气体-液体传输和欧姆电阻产生强烈影响[[13], [14], [15]]。这些方面突显了需要结合结构创新与原位分析的电极设计。此外，电催化性能对负载、微观结构、润湿性、重构和测试协议非常敏感，使得重现性难以实现[14]。然而，选择性激光熔化可以固定几何形状和工艺窗口，打印出具有可控特性的整体多孔结构，为评估和报告重现性提供了透明的框架[16,17]。
在这项工作中，通过SLM 3D打印IN718合金，制备了具有可调多孔结构的Ni–Fe–Cr合金集成电极。这些多孔电极的OER活性优于通孔电极，最佳孔径（0.65毫米）在1.55 V（相对于RHE）下的活性比商用Ni泡沫高出约20倍。它们还表现出优异的导电性和耐久性：阻抗低于粉末涂层电极的5％，在400 mV的过电位下工作20,000秒后，电流仅下降了0.97％，且没有活性金属渗出的迹象。相比之下，粉末涂层电极和Ni泡沫电极都出现了溶解和明显的性能下降。原位拉曼光谱表明，Ni–Fe–Cr电极在约1.42 V（相对于RHE）时经历了氧化重构，形成了Cr–NiFeOOH活性位点，这是其高OER性能的原因。CrOx信号在宽电位范围内保持稳定，电解质分析证实了Cr在稳定界面中的作用。原位红外光谱进一步表明，OER遵循吸附物演变机制（AEM），并得到了*OH*和*OOH*中间体的支持。这些观察结果提供了额外的见解，并为设计耐用、高性能的基于Ni的合金OER电极提供了有效策略，适用于实际应用。
材料与合成
本研究使用的主要材料是Inconel 718（IN718），这是一种基于Ni–Fe–Cr的超合金（Ni：约65％，Fe：约18％，Cr：约17％），因其高机械强度、优异的耐腐蚀性和相对于贵金属催化剂的成本效益而广受认可。
增材制造和粉末涂层IN718电极的制备
基于IN718的多孔电极是通过金属增材制造（MAM）系统使用SLM技术制备的。首先使用Unigraphics（UG）和SolidWorks（2024）设计了电极的几何模型，
结果与讨论
在SolidWorks中，构建了两种具有不同支柱直径的三维多孔晶格模型以及两种具有不同孔数的平面通孔模型（图1A–D）。然后通过SLM 3D打印和线电放电加工（WEDM）制备了四种电极样品（P45、P65、C1和C2）（图1E–H）。所有IN718衍生样品（P45、P65、C1、C2和粉末）的XRD图谱在44°、51°和75°处显示出衍射峰（图1I），对应于（1?1?1）、（2?0?0），
结论
在这项工作中，通过SLM制备了基于IN718（Ni–Fe–Cr合金）的集成氧电极，实现了可控的多孔结构，同时保留了原始晶格框架。在测试的配置中，P65电极展现了最出色的稳定性和OER性能。与其他IN718设计、粉末涂层电极和商用Ni泡沫相比，P65电极显示出明显更高的活性，这归因于其相互连接的气体-液体传输通道，
CRediT作者贡献声明
Xin Bi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源获取，方法论，研究，资金申请，正式分析，数据管理，概念化。Zewei Tang：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论。Jianling Liu：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，方法论。Yicheng Bai：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。Junjie Long：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，方法论，概念化。Chao Su：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了湖南省自然科学基金（编号：2025JJ60850）、湖南省教育厅杰出青年项目（编号：24B0011）、陕西省创新能力支持计划（项目编号：2023-CX-TD-54）以及粉末冶金国家重点实验室的资助。
