晶格钴钉扎效应增强NiFe-LDH晶格氧再生以提升析氧反应性能

本研究针对NiFe基催化剂在析氧反应(OER)中晶格氧快速消耗导致的活性/稳定性难以协同提升问题，通过Co掺杂诱导钉扎效应调控Ni-O共价性，使Co-NiFe-LDH在1 M KOH中实现195 mV@10 mA cm?2 的低过电位和500 h@50 mA cm?2 的稳定运行，为基于晶格氧机制(LOM)的催化剂设计提供新策略。

　　

随着氢能作为清洁能源载体的重要性日益凸显，电解水制氢技术成为研究热点。然而，阳极析氧反应(OER)的高能耗严重制约整体效率，其中NiFe层状双氢氧化物(LDH)虽被视为最具潜力的非贵金属催化剂，却面临晶格氧消耗导致的金属溶出和结构坍塌难题。传统吸附质演化机制(AEM)受限于热力学过电位，而晶格氧机制(LOM)虽具理论优势却易引发结构失稳。景德镇陶瓷大学团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究，创新性地通过Co掺杂调控电子结构，解决了活性与稳定性难以协同提升的行业痛点。

研究采用水热法构建Co-NiFe-LDH纳米片阵列，结合X射线吸收光谱(XAS)和密度泛函理论(DFT)计算揭示机制。通过同步辐射、电化学阻抗谱(EIS)和原位拉曼光谱等技术，系统表征材料结构与反应动力学。

材料与表征
Co-NiFe-LDH展现出50 nm超薄纳米片结构，X射线光电子能谱(XPS)证实Co²⁺
成功掺入晶格。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析显示Ni-O配位数降低，表明Co削弱了Ni 3d-O 2p轨道杂化。

性能分析
在1 M KOH中，催化剂达到195 mV@10 mA cm^?2
的过电位，Tafel斜率仅36.4 mV dec^?1
。原位电化学质谱(OEMS)检测到¹⁸
O₂
同位素标记的气体产物，证实LOM路径占主导。

理论计算
DFT显示Co掺杂使*OH吸附能降低0.27 eV，*OH→*O转换能垒下降0.15 eV。电子局域函数(ELF)分析表明Co增强电子局域化，使Ni-O键共价性减弱12.3%，有效钉扎晶格氧。

该研究突破性地证明：通过精确调控过渡金属d电子轨道与氧p轨道的相互作用，可动态平衡LOM路径的活性和稳定性矛盾。Co-NiFe-LDH在工业级电流密度(50 mA cm^?2
)下持续运行500小时无衰减，其性能超越IrO₂
催化剂94倍，为开发非贵金属OER催化剂提供了电子结构调控的新范式。研究不仅阐明晶格氧再生机制与金属-氧共价性的构效关系，更通过国家自然科学基金(51902070)等支持推动产学研结合，对实现大规模电解水制氢具有重要工程价值。