电化学插层Keggin结构[PW12 O40 ]3? 与rGO@Ni泡沫基底构建层状双氢氧化物高效水氧化催化剂

本研究针对电解水技术中OER催化剂导电性差、动力学缓慢等难题，通过电化学法在rGO修饰的镍泡沫上同步构建[PW12 O40 ]3? 插层的LDH阵列（NF@rGO-LDH-PWs），获得223 mV@10 mA cm?2 的低过电位与33 mV dec?1 的塔菲尔斜率，其TOF值达0.38 s?1 ，为基底材料的5倍，为碱性介质中高效稳定OER催化剂设计提供新策略。

　　

论文解读

电解水制氢是可再生能源转化的重要途径，但阳极水氧化反应(OER)的高过电位和缓慢动力学严重制约其效率。传统镍铁基层状双氢氧化物(LDH)虽成本低廉，却受限于低导电性和有限活性位点；而多金属氧酸盐(POM)如[PW₁₂
O₄₀
]^3?
虽具优异氧化还原能力，但易溶解难回收。如何将两者优势结合，同时解决POM在碱性条件下的稳定性问题，成为催化剂设计的核心挑战。

广东基础与应用基础研究基金支持的研究团队创新性地提出"电化学插层"策略：先在镍泡沫(NF)上电化学还原氧化石墨烯(rGO)构建高导电基底，再通过一步电沉积同步合成LDH阵列并插层Keggin结构阴离子，形成NF@rGO-LDH-PWs异质结构催化剂。该工作发表于《Applied Clay Science》，其核心突破在于：①采用Na₃
PW₁₂
O₄₀
替代传统酸性H₃
PW₁₂
O₄₀
适配碱性环境；②电化学法温和实现大尺寸POM阴离子的层间插入，避免高温高压等苛刻条件。

关键技术方法

研究通过循环伏安法在NF上电化学还原GO形成rGO导电层；采用恒电位沉积同步合成NiFe-LDH并插层[PW₁₂
O₄₀
]^3?
；利用SEM-EDS、XRD、FTIR表征形貌与结构；XPS和拉曼光谱解析电子状态；通过线性扫描伏安(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)等系统评估OER性能。

研究结果

形貌与元素分布
SEM显示原始NF表面光滑，rGO修饰后形成均匀薄膜。LDH沉积后呈现堆叠块状结构，而引入POM后转变为垂直排列的纳米阵列，EDS证实W、P元素均匀分布，证明POM成功插层。

结构表征
XRD显示LDH特征峰(003)面间距从0.76 nm扩大至1.12 nm，FTIR在1078 cm^?1
处出现P-O特征峰，直接证实[PW₁₂
O₄₀
]^3?
的层间嵌入。XPS表明Ni 2p_3/2
结合能正移0.8 eV，证实POM诱导的电子重排增强金属活性中心氧化能力。

OER性能
在1 M KOH中，最优催化剂展现：

• 超低过电位223 mV@10 mA cm^?2

• 塔菲尔斜率33 mV dec^?1
  （较NF@rGO-LDH降低61%）

• 交换电流密度8.3×10^?2
  mA cm^?2

• 活化能14.60 kJ mol^?1
  （仅为对照组的1/3）

• TOF值0.38 s^?1
  ，较基底材料提升5倍
  12小时稳定性测试中电流衰减仅0.09%。

结论与意义

该研究通过巧妙的电化学设计，实现POM插层LDH的可控制备，解决传统方法中POM难固定、LDH导电性差的双重瓶颈。催化剂卓越性能源于：①rGO基底提升电子传导；②POM调控Ni/Fe电子结构增加活性位点；③垂直纳米阵列构筑快速传质通道。这种"导电基底-电子调制-结构工程"三位一体策略，为开发非贵金属OER催化剂提供普适性方案，推动电解水制氢技术的实用化进程。