锰钴层状双氢氧化物(MnCo-LDH)与镍磷化物(NiP2/Ni5P4)复合催化剂的构建及其高效水分解性能研究

本研究针对电解水制氧反应(OER)过电位高、动力学缓慢的难题，通过电化学沉积法将锰钴层状双氢氧化物(MnCo-LDH)与镍磷化物(NiP2/Ni5P4)复合，开发出MnCo-LDH@NiP2和MnCo-LDH@Ni5P4两种高效催化剂。实验表明复合催化剂在100 mA cm?2电流密度下过电位分别低至276 mV和318 mV，电荷转移电阻(Rct)显著降低，为可再生能源系统中的水分解技术提供了新型材料解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，电解水制氢技术因其零碳排放特性成为研究热点。然而，制约该技术发展的核心瓶颈在于阳极的析氧反应(OER)——这个需要转移4个电子的复杂过程往往需要高昂的过电位。目前商用的贵金属催化剂（如IrO₂和RuO₂）虽性能优异，但其稀缺性和高昂成本阻碍了大规模应用。与此同时，过渡金属基材料虽成本低廉，却普遍面临活性不足、稳定性差的困境。如何通过材料设计打破这种"性能-成本"的权衡，成为该领域的关键科学问题。

针对这一挑战，King Khalid University的研究团队创新性地将两种明星材料进行复合：具有高比表面积和可调电子结构的锰钴层状双氢氧化物(MnCo-LDH)，与具有优异导电性的镍磷化物(NiP₂/Ni₅P₄)。通过精确的层状电化学沉积技术，他们成功制备出MnCo-LDH@NiP₂和MnCo-LDH@Ni₅P₄复合电极。发表在《Applied Clay Science》的研究结果表明，这种"双金属氢氧化物-金属磷化物"的协同设计策略，不仅显著提升了催化活性，更实现了工业化生产所需的成本控制。

研究团队主要采用三项关键技术：1）循环伏安电沉积法构建MnCo-LDH基底；2）原位磷化反应合成NiP₂/Ni₅P₄纳米结构；3）综合运用XRD、SEM和XPS进行材料表征。所有实验均在1 M KOH电解液体系中进行，以不锈钢为基底确保工业兼容性。

材料表征
XRD分析显示，MnCo-LDH的特征峰(003晶面7.13 ?)与NiP₂(111晶面2.76 ?)、Ni₅P₄(112晶面2.92 ?)共存，证实复合材料的成功制备。SEM图像揭示NiP₂呈纳米片状结构均匀分布在LDH表面，形成三维多孔网络。XPS谱图中Co 2p_3/2(781.5 eV)和Mn 2p_3/2(642.3 eV)的结合能位移，证实了金属间电子转移。

电化学性能
在100 mA cm^?2工业级电流密度下，MnCo-LDH@NiP₂仅需276 mV过电位，远低于纯MnCo-LDH的423 mV。Tafel斜率分析显示，复合材料的反应动力学显著提升：MnCo-LDH@NiP₂为53.2 mV dec^?1，而MnCo-LDH@Ni₅P₄为60.9 mV dec^?1，均优于单独组分。EIS测试表明，NiP₂复合使电荷转移电阻(R_ct)降至0.62 Ω cm²，证明界面电子传输效率提升。

稳定性测试
经过1000次循环伏安扫描后，MnCo-LDH@NiP₂的活性保持率达92.5%，XRD显示其晶体结构未发生明显变化。这种稳定性源于LDH的骨架保护作用和磷化物的抗腐蚀特性。

该研究通过巧妙的材料设计，证实了LDH与金属磷化物复合的策略可同时实现高活性和高稳定性。特别值得注意的是，MnCo-LDH@NiP₂的性能已接近商用IrO₂催化剂，而成本仅为其1/50。这种"界面电子调控-多活性位点协同"的机制，为发展非贵金属催化剂提供了新思路。研究还揭示NiP₂比Ni₅P₄具有更优的催化性能，这与其更高的磷含量促进质子转移有关。这些发现不仅对电解水技术具有直接应用价值，也为金属空气电池、燃料电池等关联能源器件的发展提供了材料基础。