水热参数优化与NiFe-LDH电催化剂的多功能催化性能研究

为解决传统贵金属催化剂成本高、资源稀缺的问题，研究人员通过调控Ni/Fe比例、水热温度和时间等参数，优化了NiFe层状双氢氧化物（NiFe-LDH）的合成工艺。结果表明，Ni2 Fe-LDH-100°C-12h具有优异的析氧反应（OER）活性和稳定的能量转换效率，同时展现出析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）的多功能催化潜力。该研究为设计高性能、低成本的电催化剂提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

随着环境污染和全球变暖问题日益严峻，开发绿色能源技术成为当务之急。水分解制氢、金属-空气电池等可再生能源技术备受关注，但其核心瓶颈在于阳极析氧反应（OER）动力学缓慢、过电位高。尽管RuO₂
和IrO₂
等贵金属催化剂性能优异，但其高昂成本限制了大规模应用。相比之下，镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）因其可调控的电子结构、丰富的活性位点和低成本优势，被视为极具潜力的替代材料。然而，现有研究对水热合成参数的协同影响缺乏系统认知，且催化机制尚不明确。

为解决这些问题，国内研究人员通过精确调控Ni/Fe投料比（1:3至3:1）、水热温度（85-180°C）和时间（3-360 h），制备了一系列NiFe-LDH催化剂。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）表征材料结构，结合电化学测试和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了材料构效关系。研究发表在《International Journal of Hydrogen Energy》，为高性能催化剂设计提供了新思路。

关键技术包括：1）水热合成法调控晶体形貌；2）XRD和电子显微镜分析材料结构；3）线性扫描伏安法（LSV）评估OER/HER/ORR活性；4）pH依赖实验和四甲基铵（TMA⁺
）探针实验阐明反应机制；5）DFT计算验证活性位点作用。

合成与结构优化
研究发现Ni/Fe比为2:1时，材料呈现高结晶度的纳米花状结构，且无杂相生成。水热条件为100°C、12 h时，Ni₂
Fe-LDH具有最优的层状排列和活性位点分布。偏离此条件会导致NiFe₂
O₄
等杂相析出，降低催化效率。

多功能催化性能
优化后的催化剂在10 mA/cm²
电流密度下OER过电位仅为240 mV，优于多数报道的LDH材料。DFT证实Ni是OER主要活性位点，而Fe更利于HER。ORR测试显示其半波电位达0.78 V（vs. RHE），表明三功能催化潜力。

反应机制解析
TMA⁺
探针实验表明OER遵循吸附演化机制（AEM），而非晶格氧机制（LOM）。pH依赖性实验进一步证实反应过程中*OOH中间体的关键作用。

该研究明确了水热参数对NiFe-LDH结构性能的调控规律，证实其可通过单一材料实现OER/HER/ORR协同催化。这不仅降低了能源转换设备的材料成本，还为非贵金属催化剂的设计提供了范式。作者指出，未来可通过缺陷工程和异质结构建进一步提升性能，推动可持续能源技术的发展。