基于氧空位工程的高熵层状双氢氧化物催化剂设计及其高效析氧反应性能研究

针对碱性电解水析氧反应(OER)过程中高过电位和动力学缓慢的问题，研究人员通过水热合成结合Ar等离子体处理技术，成功制备了富含氧空位的高熵P–NiFeCoMnCu-LDH/NF催化剂。该材料在1 M KOH中展现出198 mV@10 mA·cm?2的优异OER活性，并通过原位拉曼和DFT计算揭示了γ-NiOOH活性相的形成机制及氧空位对O→OOH能垒的降低作用，为高熵材料在能源转换领域的应用提供了新策略。

　　

随着化石能源过度开发导致的环境问题日益严峻，氢能作为清洁能源载体已成为可持续发展的重要选择。然而，电解水制氢技术的核心瓶颈——析氧反应(OER)存在动力学缓慢、过电位高等问题，亟需开发高效非贵金属催化剂。传统镍基层状双氢氧化物(LDH)虽具潜力，但受限于活性位点不足和导电性差等缺陷。近年来，高熵材料因其独特的"鸡尾酒效应"和晶格畸变效应，为催化剂设计提供了新思路，而氧空位工程更能通过调控电子结构进一步提升性能。

中国博士后科学基金资助项目(2022M713872)的研究团队创新性地将高熵效应与氧空位调控相结合，通过水热合成和Ar等离子体处理两步法，在镍泡沫(NF)基底上构建了P–NiFeCoMnCu-LDH/NF催化剂。该工作通过扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术证实材料成功负载并富含氧空位；电化学测试显示其在1 M KOH中仅需198 mV过电位即可达到10 mA·cm^?2电流密度，Tafel斜率低至39.8 mV·dec^?1，且能在100 mA·cm^?2下稳定运行100小时。

研究采用的关键技术包括：1) 多金属共沉淀水热法构建高熵LDH纳米阵列；2) Ar等离子体处理引入氧空位；3) 原位拉曼光谱追踪γ-NiOOH活性相动态重构过程；4) 密度泛函理论(DFT)计算氧空位对电子局域化和能垒的影响。

【结构表征】SEM显示材料呈现垂直生长的纳米片结构，XPS证实等离子体处理后氧空位浓度显著提升。同步辐射分析揭示高熵效应引起的晶格畸变与氧空位协同优化了电子结构。

【电化学性能】线性扫描伏安(LSV)测试表明五元高熵LDH性能优于低元数对照组，电化学阻抗谱(EIS)显示电荷转移电阻降低85%。原位拉曼证实反应过程中表面重构形成γ-NiOOH活性相，其持续暴露的高活性晶面是性能卓越的关键。

【机理研究】DFT计算表明氧空位使Ni位点d带中心上移0.35 eV，促进OH^?吸附；差分电荷密度图显示氧空位周边电子离域化，将O→OOH决速步能垒从1.78 eV降至1.21 eV。

【全水解应用】组装的Pt/C||P–NiFeCoMnCu-LDH/NF电解槽仅需1.49 V电压即可驱动10 mA·cm^?2全水解，较传统Pt/C||RuO₂体系节能17%。

该研究通过高熵效应与缺陷工程的协同作用，解决了多金属LDH催化剂活性位点暴露不足和本征活性受限的难题。Kai Peng等提出的等离子体处理策略为高熵材料表面改性提供了普适性方法，而揭示的氧空位促进动态表面重构机制，对理解OER活性起源具有重要理论价值。这项工作发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，其开发的催化剂在工业级电流密度(500 mA·cm^?2)下仍保持90%初始活性，展现出显著的商业化应用前景，为下一代电解水制氢技术发展奠定了材料基础。