多金属钴基尖晶石氧化物NixFe1-xCo2O4的物理化学与电化学分析：优化镍铁比例提升氧还原反应性能

本研究针对燃料电池中贵金属催化剂成本高、稳定性差的问题，通过共沉淀法合成NixFe1-xCo2O4（x=0,0.3,0.5,0.7）多金属尖晶石氧化物，系统探究其ORR催化性能。结果表明，Ni0.5Fe0.5Co2O4具有最高比表面积（617.2 m2/g）和最优ORR活性（起始电位0.75 V vs. RHE），且循环3000次后性能几乎无衰减。该研究为开发低成本、高效非贵金属ORR催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增，开发高效、低成本的绿色能源技术成为当务之急。燃料电池因其高能量转换效率备受关注，但其阴极氧还原反应(ORR)依赖昂贵的铂基催化剂，且动力学缓慢。过渡金属尖晶石氧化物因其丰富的氧化还原活性位点和稳定性成为潜在替代材料，但传统铁钴氧化物(FeCo₂
O₄
)导电性差且活性有限。智利研究团队通过调控镍铁比例，开发出NixFe1-xCo2O4系列催化剂，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用共沉淀法结合400℃退火制备材料，通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱确认尖晶石结构，X射线光电子能谱(XPS)揭示Co²⁺
/Co³⁺
、Fe²⁺
/Fe³⁺
和Ni²⁺
/Ni³⁺
混合价态。比表面积(BET)测试显示介孔结构，电化学测试在0.1 M KOH中评估ORR性能。

材料与方法
通过硝酸盐前驱体共沉淀合成NixFe1-xCo2O4（x=0-0.7），PVP作为分散剂，NaOH调节pH至10，400℃退火4小时获得最终产物。

结果与讨论
XRD证实立方尖晶石结构（Fd-3m空间群），含微量CoO杂质相。Ni0.5Fe0.5Co2O4比表面积达617.2 m2/g，XPS显示Ni掺杂促使Fe²⁺
被取代至八面体位点。电化学测试表明所有样品遵循四电子ORR路径，Ni0.5Fe0.5Co2O4表现最优：起始电位0.75 V，半波电位0.62 V，极限电流密度-2.82 mA/cm2，且3000次循环后活性保持率达98%。

结论
Ni/Fe比例调控可优化尖晶石氧化物电子结构与活性位点分布。Ni0.5Fe0.5Co2O4中Ni-Fe协同效应增强氧吸附能力，CoO杂质相提供额外Co²⁺
活性位点。该研究为设计非贵金属ORR催化剂提供了低温合成新策略，揭示了多价态金属协同作用机制。

讨论
Rodrigo Espinoza-González等指出，与传统NiCo2O4体系不同，本研究以Co3O4为骨架反向调控Fe/Ni比例，显著改变阳离子分布与电子转移路径。Ni优先取代八面体位点Fe²⁺
的特性为精准调控催化剂表面化学提供了新思路。ANID-FONDECYT项目资助的这项工作，为燃料电池阴极材料设计开辟了低成本、高性能的新方向。