铁修饰硒化镍纳米结构增强析氧反应电催化活性及其在碱性水电解中的应用

为解决碱性水电解中析氧反应(OER)动力学缓慢的问题，研究人员通过两步法合成了铁修饰的Ni3 Se2 /Ni-foam电催化剂。研究发现40°C水热合成的Fe–Ni3 Se2 /Ni-foam-40在100 mA cm?2 电流密度下仅需250 mV过电位，并能在500 mA cm?2 下稳定运行100小时。该研究为开发高效稳定的碱性电解槽阳极材料提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型，绿色氢能作为清洁能源载体备受关注。通过水电解制备的"绿氢"因其零碳排放特性成为实现碳中和目标的关键技术之一。然而，水电解过程中析氧反应(OER)涉及四电子转移过程，动力学缓慢，成为制约整体效率的瓶颈。传统贵金属基催化剂（如IrO₂
、RuO₂
）虽性能优异，但高昂成本限制了其大规模应用。因此，开发高效、稳定且成本低廉的非贵金属OER催化剂成为当前研究热点。

在众多非贵金属材料中，镍基化合物因其储量丰富、价格适中和良好催化活性备受青睐。特别是镍硫族化合物（硫化物、硒化物等）展现出优异的OER性能。与广泛研究的镍硫化物相比，镍硒化物具有更优异的导电性，但其研究相对较少。值得注意的是，镍硒化物中Ni₃
Se₂
相因含有Ni-Ni金属键而具有特殊电子结构，理论上应具备更佳导电性，但其OER性能仍有优化空间。此外，研究表明铁(Fe)掺杂可显著提升镍基催化剂的OER活性，但关于Fe掺杂对Ni₃
Se₂
相的影响机制尚不明确。

针对上述问题，研究人员开展了一项关于铁修饰Ni₃
Se₂
纳米结构OER催化剂的研究。该工作采用两步合成法：首先通过溶剂热法在镍泡沫上生长Ni₃
Se₂
纳米线，随后在不同温度（40、80和120°C）下水热引入铁物种。系统研究了合成温度对材料结构、组成及OER性能的影响，发现40°C制备的Fe–Ni₃
Se₂
/Ni-foam-40表现出最优异的催化活性和稳定性。相关成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。

研究团队采用多种表征技术揭示了材料特性。通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱确认了Ni₃
Se₂
晶相的形成；扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察了纳米线-纳米片复合结构；X射线光电子能谱(XPS)分析了表面元素化学状态；电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)定量测定了铁含量。电化学测试包括线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)和计时电位法(CP)评估了OER性能。

研究结果部分，"材料合成与表征"显示，通过调控溶剂热条件成功制备了纯相Ni₃
Se₂
纳米线，突破了传统方法易得NiSe相的局限。水热温度显著影响铁物种的形态分布：40°C时形成纳米片覆盖的复合结构，80°C产生均匀分布的15-45 nm颗粒，120°C则生成90-210 nm的大颗粒。值得注意的是，铁含量随温度升高而降低，40°C样品铁含量最高（Fe/Ni=0.37）。

"电化学性能"部分表明，Fe–Ni₃
Se₂
/Ni-foam-40在100 mA cm^?2
电流密度下仅需250 mV过电位，显著优于未修饰样品（530 mV）。双电层电容测试显示其电化学活性面积(ECSA)达0.88 mF，电荷转移电阻(R_ct
)仅0.33 Ω。特别值得关注的是，该材料在500 mA cm^?2
工业级电流密度下稳定运行100小时，过电位仅增加130 mV，展现出极佳的工业应用前景。

"稳定性研究"通过原位拉曼光谱揭示了催化剂的动态演变过程：随着OER反应进行，表面硒化物逐渐转化为(氧)氢氧化物，但主体结构保持完整。这种表面重构形成的NiFe(氧)氢氧化物活性层与导电Ni₃
Se₂
基底的协同作用，是材料兼具高活性和稳定性的关键。

在"实际应用验证"中，研究团队将Fe–Ni₃
Se₂
/Ni-foam-40组装到5 cm²
阴离子交换膜(AEM)电解槽中测试。在5A电流(对应~500 mA cm^?2
)下连续运行100小时，电池电压稳定在2.47 V，性能优于纯镍泡沫电极，证实了其工业化应用潜力。

这项研究通过精准调控铁掺杂镍硒化物的纳米结构，成功开发出兼具高活性、优异稳定性和成本优势的OER电催化剂。其创新价值体现在三方面：首先，建立了水热温度-铁掺杂量-纳米结构-催化性能的构效关系，为理性设计高效催化剂提供指导；其次，揭示了硒化物在OER过程中的动态表面重构机制，深化了对"预催化剂"作用原理的理解；最后，在工业级电流密度下验证了材料稳定性，推动了碱性水电解技术的实用化进程。该工作不仅为开发新型OER催化剂提供了新思路，也对促进绿氢产业发展具有重要意义。