基于NiFe?O?掺杂的六方镍基氢氧化物纳米片在高效水分解中的氧析出反应协同增强机制研究

推荐 为突破水电解制氢中阳极氧析出反应（OER）的高能垒瓶颈，四川大学研究人员通过一步水热法合成NiFe?O?掺杂的六方镍基氢氧化物纳米片催化剂。该材料在1 M KOH溶液中实现262 mV低过电位与79 mV dec?1塔菲尔斜率，且连续运行70小时性能稳定，显著优于商业RuO?催化剂，为高效稳定的电解水催化剂开发提供新思路。

　　

论文解读
全球能源危机与环境污染的双重压力下，开发清洁高效的氢能制备技术成为科研焦点。传统化石燃料驱动的能源体系不仅不可再生，其燃烧过程释放的二氧化碳更加剧了温室效应。在此背景下，电解水制氢因具备零碳排放潜力而备受关注。然而，该技术的核心环节——阳极氧析出反应（OER）面临四电子转移动力学迟缓的挑战，导致能量转换效率低下。尽管贵金属催化剂（如RuO?）展现出优异活性，但其稀缺性与高成本严重制约工业化应用。因此，开发兼具高活性与稳定性的非贵金属催化剂成为突破瓶颈的关键。

四川大学研究团队针对上述问题，创新性地设计出一种基于NiFe?O?掺杂的六方镍基氢氧化物（hexagonal nickel hydroxide）纳米片催化剂。通过一步水热法合成具有100%介孔结构的材料，其独特的二维纳米片形貌与Fe-Ni双金属协同效应显著提升了催化性能。实验数据显示，在1 M KOH电解液中，该催化剂仅需262 mV过电位即可驱动10 mA cm?2电流密度，塔菲尔斜率达79 mV dec?1，较传统材料提升近40%。更值得关注的是，在40 mA cm?2恒定电流密度下持续运行70小时后，性能衰减率不足5%，远优于商业化RuO?催化剂。

研究团队通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征证实，NiFe?O?纳米颗粒均匀嵌入镍基氢氧化物层间，形成异质结界面。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，该结构有效降低了电荷转移电阻，加速了活性氧物种（OER中间体）的生成与脱附过程。值得注意的是，长期运行后催化剂发生物理化学重构，Ni2?氧化为Ni3?的比例显著增加，这一过程通过X射线光电子能谱（XPS）得到验证，并被证实是活性提升的关键机制。

该研究的重要意义在于揭示了双金属协同效应与二维纳米结构对OER性能的增强机理。Fe的引入不仅优化了电子结构，还通过形成氧空位促进活性位点暴露；而六方纳米片的超高比表面积则提供了丰富的催化活性位点。此外，LOM（晶格氧介导）机制的确认为理解反应动力学提供了理论支撑。研究成果不仅推动了低成本高效电解水催化剂的发展，更为可再生能源制氢技术的商业化应用奠定了材料基础。

关键技术方法
本研究采用一步水热合成法，以六方镍基氢氧化物为基底，通过引入NiFe?O?纳米颗粒实现掺杂改性。具体步骤包括：将镍盐与铁盐按特定比例溶解于含二甲基亚砜的溶液中，加入软模板剂二甲基亚咪唑后，在密闭反应釜中进行高温高压处理。产物经洗涤干燥后直接用于电化学测试，无需额外后处理。

研究结果
材料表征
XRD与Raman分析证实NiFe?O?成功掺杂至镍基氢氧化物晶格中，形成Fe-Ni-O异质界面。透射电镜（TEM）显示纳米片厚度约5 nm，孔隙率高达100%，具备优异的传质性能。

电化学性能
在1 M KOH溶液中，Fe?Ni?-T175样品于10 mA cm?2电流密度下过电位仅262 mV，塔菲尔斜率为79 mV dec?1，优于多数文献报道值。循环伏安法（CV）测试显示其双电层电容达4.8 mF cm?2，表明高活性位点密度。

稳定性评估
恒电流测试表明催化剂在40 mA cm?2下连续运行70小时无显著衰减，XPS分析揭示活性提升源于Ni2?向Ni3?的转化。原位拉曼监测证实反应过程中无结构性坍塌，证明材料具备优异机械稳定性。

反应机制解析
通过对比不同pH条件下的极化曲线及氧同位素标记实验，研究团队确认LOM机制主导反应进程。DFT计算表明，Fe掺杂降低了OER决速步能垒，而二维结构则优化了反应物吸附能。

结论与讨论
本研究成功构建了兼具高活性与稳定性的OER催化剂，其性能突破源于多级结构设计与电子结构调控的协同作用。Fe-Ni双金属的强相互作用不仅调节了d带中心位置，还促进了表面氧物种的快速转化。六方纳米片的介孔特性则确保了电解液充分浸润与活性位点可及性。该工作为开发下一代非贵金属电解水催化剂提供了理论依据与技术原型，未来可通过调控掺杂元素种类与比例进一步优化性能。研究成果发表于《Fuel》期刊，标志着我国在清洁能源材料领域取得重要进展。