突破能源瓶颈：新型 3D 交联催化剂助力水电解与锌空气电池高效发展

当前，锌空气电池（ZABs）和水电解制氢受限于析氧反应（OER）慢动力学。研究人员通过界面工程合成 NiFe - Co/NC@NiMoO4催化剂。该催化剂在 HER、OER、ORR 中表现优异，能用于高效整体水分解和 ZABs，为清洁能源应用提供新思路。

　　在当今追求绿色能源的时代，能源转换与存储技术的发展至关重要。氢能源，作为一种零碳、高效且压缩比高的能源，无疑是缓解传统化石能源过度开采所引发环境问题的 “绿色希望”。通过电化学水分解制取氢气，产物仅有氢气和氧气，且生成的氢气可直接用于燃料电池，大大减少了能源传输过程中的损耗，看起来似乎是一条理想的能源发展路径。然而，这条 “绿色之路” 却存在着 “拦路虎”。

在整体水分解（OWS）和锌空气电池（ZABs）的阴极反应中，析氧反应（OER）由于其较高的能量壁垒，反应动力学十分缓慢，这极大地限制了水分解的效率，同时也影响了 ZABs 的功率密度和实际容量。而且，在反应过程中，电子传输效率低下，催化剂的结构缺陷又进一步加剧了这一问题，导致整体催化性能大幅下降。

为了攻克这些难题，来自国内的研究人员踏上了探索之旅，他们开展了一项关于设计高效多功能催化剂的研究。研究人员通过界面工程，成功设计出一种具有自支撑三维交联结构的 NiFe - Co/NC@NiMoO₄/NF 催化剂。这项研究成果意义非凡，它为解决能源领域的关键问题提供了新的方向和策略，相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用水热法合成了 NiMoO₄（NMO）纳米棒；接着，通过电沉积法在 NMO 纳米棒上沉积 NiFe - LDH；然后，将负载有 NiFe - LDH@NMO 的泡沫镍（NF）浸入含有 Co^{2 +}离子和 2 - 甲基咪唑的甲醇溶液中合成 ZIF - 67；最后，经过一系列处理得到目标催化剂。此外，还利用密度泛函理论（DFT）计算对催化剂的性能进行了理论分析。

下面来看看具体的研究结果：

• 催化剂的合成与表征：研究人员详细描述了 NiFe - Co/NC@NiMoO₄/NF 催化剂的合成步骤。先在清洗后的 NF 基底上，通过高温高压条件生长出光滑的 NMO 纳米棒，再电沉积 NiFe - LDH，然后使 ZIF - 67 包覆在 NiFe - LDH@NMO 上，最终得到目标催化剂。这一系列精细的合成步骤为后续优异性能的实现奠定了基础。
• 催化性能测试：该催化剂展现出了卓越的催化活性。在 100 mA?cm^-2的电流密度下，析氧电位为 298 mV，析氢反应仅需 214 mV 的过电位，且在氧还原反应（ORR）中，其半波电位达到 0.86 V 。这些数据表明，该催化剂在 HER、OER 和 ORR 中均表现出色。
• 整体水分解性能：基于 NiFe - Co/NC@NiMoO₄/NF 构建的整体水分解（OWS）电解槽，在 10 mA?cm^-2的电流密度下，电池电压仅为 1.54 V，并且能够稳定运行 100 h。这一结果显示出该催化剂在实际水分解应用中的巨大潜力。
• 锌空气电池性能：将 NiFe - Co/NC@NiMoO₄/NF 作为自支撑阴极应用于 ZABs 时，电池展现出高功率密度和优异的循环稳定性。这意味着该催化剂能够有效提升 ZABs 的性能，为其实际应用提供了有力支持。
• 理论计算分析：DFT 计算表明，NiFe 纳米合金作为 OER 和 HER 的催化中心，能够有效促进 * OOH 中间体的转化，优化氢吸附能；而 Co/NC 组分则作为 ORR 活性位点和电荷转移介质，实现了 NiFe 与 NiMoO₄之间的高效界面电子转移。这从理论层面解释了催化剂优异性能的根源。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：成功引入的 NiFe 纳米合金以及形成的三维交联结构，赋予了 NiFe - Co/NC@NiMoO₄/NF 卓越的 HER、OER 和 ORR 性能。三维网络结构增强了催化剂与电解质之间的界面接触，有利于反应过程中的气体释放。NiFe 纳米合金与 Co/NC 的结合，不仅增强了与 NMO 纳米棒的接触，还建立了多组分界面配位。

这项研究具有重要意义。从能源角度来看，它为高效整体水分解和锌空气电池的发展提供了高性能的催化剂，有助于提升能源转换和存储效率，推动清洁能源的应用。从科学研究角度，为设计先进的多功能催化剂提供了新的策略和思路，通过界面工程调控催化剂结构，实现多组分协同效应，优化催化性能。这一成果有望在能源领域掀起新的研究热潮，激励更多科研人员探索新型催化剂，为解决全球能源问题贡献力量。