室温可规模化合成缺陷富集NiFe层状双氢氧化物用于高效阴离子交换膜电解水

《Nature Communications》：Scalable synthesis of NiFe-layered double hydroxide for efficient anion exchange membrane electrolysis

本研究针对碱性析氧反应(OER)催化剂在规模化制备和性能稳定性方面的挑战，开发了一种基于环氧化物路线的室温常压合成方法，制备出具有铁簇集特性的NiFe层状双氢氧化物(NiFe-LDH)。该催化剂在阴离子交换膜水电解槽(AEMWE)中表现出卓越性能，1A cm-2电流密度下仅需1.69V电压，且具有优异耐久性，为绿色氢能的大规模生产提供了经济高效的解决方案。

　　

在绿色能源转型的浪潮中，水电解制氢技术正成为实现碳中和目标的关键一环。然而，作为水分解反应的瓶颈步骤，析氧反应(OER)的高过电位和贵金属催化剂的高成本严重制约了该技术的规模化应用。特别是阴离子交换膜水电解(AEMWE)技术，虽然兼具传统碱性电解的低成本和质子交换膜电解的高效率优势，但缺乏高性能、低成本的阳极催化剂成为其商业化进程的主要障碍。目前工业上仍依赖昂贵的IrO₂催化剂，其不稳定性、高成本和资源稀缺性促使科学家们不断寻找替代方案。

在这一背景下，来自西班牙瓦伦西亚大学(University of Valencia)等机构的研究团队另辟蹊径，开发出一种可在室温常压下规模化制备的高性能NiFe-LDH催化剂。这项发表在《Nature Communications》的研究突破了传统水热合成法的局限，通过创新的环氧化物路线实现了催化剂的工业化可控制备，同时借助先进的表征手段揭示了其优异性能的结构根源。

研究人员采用多尺度研究方法，结合X射线吸收光谱(XAS)、小角X射线散射(SAXS)、穆斯堡尔谱和原位拉曼光谱等技术，系统研究了催化剂的合成机制和结构特性。密度泛函理论(DFT)计算从原子尺度阐明了催化活性位点的作用机制。电化学测试则从旋转圆盘电极(RDE)、扩散电极池(DEC)到5cm²全电池AEMWE逐步验证了催化剂的实用性能。

研究结果部分，首先在"Scalable synthesis of RT-NiFe-LDH and in situ characterization during the precipitation process"中，研究人员详细阐述了创新的环氧化物合成路线。通过氯离子对环氧化物的亲核攻击产生均匀碱化环境，在室温下即可获得缺陷丰富、铁簇集明显的NiFe-LDH。原位SAXS分析揭示了独特的生长机制：Ni²⁺先形成约67nm的球形纳米颗粒，随后演变为二维片状结构；而Fe³⁺则通过溶胶-凝胶样过程形成4.1nm的小颗粒并快速聚集成分形结构。

在"Structural characterization of the RT-NiFe-LDH"部分，多种表征手段证实了材料的独特结构特征。X射线衍射(PXRD)显示极低结晶度，缺少(003)晶面衍射峰，表明材料具有单/双层超薄结构。X射线光电子能谱(XPS)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析证实了Fe的簇集现象，这与穆斯堡尔谱显示的更高平均超精细场(50.1T vs 40.8T)结果一致。像差校正扫描透射电镜(STEM)结合电子能量损失谱(EELS)直接观测到Ni/Fe的非均匀分布，与常规水热合成的NiFe-LDH形成鲜明对比。

"Cation clustering in the RT-NiFe-LDH"部分通过DFT计算阐明了结构-性能关系。对比高度有序和Fe簇集的NiFe-LDH(110)表面，发现后者能更好地稳定OER中间体，使速率决定步骤(*OH→*O)的自由能降低至1.72eV。原位拉曼光谱证实室温合成的催化剂在1.47V vs RHE即可完全转化为活性氧氢氧化物相，而传统水热材料仅部分转化且需要更高电位(1.57V)。

"OER electrochemical performance"部分展示了多尺度电化学测试结果。在DEC测试中，室温合成的催化剂在65°C、500mA cm^-2电流密度下过电位仅为1.46V，塔菲尔斜率低至36.22mV dec^-1。全电池AEMWE测试中，该材料在70°C、1M KOH条件下实现1A cm^-2@1.69V的优异性能，且经过100小时稳定性测试后电位上升速率(0.41mV/h)仅为对照样品的一半。

研究结论部分强调，这项工作通过创新的环氧化物合成路线解决了NiFe-LDH规模化制备的难题，同时揭示了Fe簇集对提升OER活性的关键作用。材料独特的结构特征促进了完全转化为高活性氧氢氧化物相，并可能形成含Ni^IV的催化中心。从实验室规模的RDE测试到中试规模的全电池验证，该催化剂展现出优异的性能和稳定性，为开发无贵金属AEM电解槽提供了切实可行的解决方案。这项研究不仅推动了水电解催化剂的设计理念，也为绿色氢能的大规模经济生产铺平了道路。