氢对低品位超基性镍硫化物精矿中镍提取的影响及高熵层状双氢氧化物催化剂的氧空位调控研究

本研究针对碱性电解水制氢过程中氧析出反应(OER)过电位高、动力学缓慢的瓶颈问题，通过水热合成结合氩等离子体处理策略，开发了具有丰富氧空位的高熵层状双氢氧化物催化剂(P–NiFeCoMnCu-LDH/NF)。该催化剂在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，并展现100小时@100 mA?cm?2的卓越稳定性。通过原位拉曼和DFT计算揭示了γ-NiOOH活性物种形成机制及氧空位促进电子离域的关键作用，为设计高效非贵金属OER催化剂提供了新范式。

　　

随着化石能源过度开发导致的环境危机加剧，氢能作为清洁能源载体已成为解决能源安全和环境污染的关键突破口。碱性电解水制氢技术因其商业化可行性备受关注，但阳极氧析出反应(OER)的高过电位和缓慢动力学严重制约整体效率。目前性能最优异的钌/铱基催化剂受限于稀缺性和高成本，而传统镍基层状双氢氧化物(LDH)催化剂又面临活性位点不足、本征导电性差等挑战。高熵材料因其独特的"鸡尾酒效应"和晶格畸变效应，为设计新型电催化剂提供了全新思路，但如何通过精准调控进一步提升其OER性能仍是亟待解决的难题。

中国博士后科学基金资助项目团队通过创新性地结合水热合成与氩等离子体处理技术，成功在泡沫镍基底上构建了富含氧空位的高熵层状双氢氧化物催化剂(P–NiFeCoMnCu-LDH/NF)。研究采用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段确认材料形貌与氧空位存在，通过电化学测试系统评估催化性能，结合原位拉曼光谱追踪反应过程中活性物种演变，并运用密度泛函理论(DFT)计算阐明氧空位对电子结构的调控机制。

结构表征部分显示，Ar等离子体处理后的催化剂保持纳米片阵列结构，XPS分析证实氧空位浓度显著提升。这种独特的结构特征使材料暴露出更多活性位点，并为电荷传输提供了快速通道。

电化学性能测试结果表明，优化后的催化剂在1 M KOH电解液中表现出超越同类材料的OER活性：达到10 mA?cm^?2电流密度仅需198 mV过电位，Tafel斜率低至39.8 mV?dec^?1，且能在100 mA?cm^?2高电流密度下稳定运行100小时。与二元、三元乃至四元LDH催化剂相比，这种五元高熵材料展现出明显的性能优势。

机理研究部分通过原位拉曼光谱证实，反应过程中催化剂表面动态重构形成γ-NiOOH活性物种。DFT计算进一步揭示，氧空位诱导的电子离域效应能有效降低O向OOH转化的能垒（速率决定步骤），这是提升OER动力学的关键因素。

实际应用方面，将P–NiFeCoMnCu-LDH/NF与Pt/C组成电解槽时，仅需1.49 V电压即可驱动10 mA?cm^?2的基准电流密度，1.66 V实现100 mA?cm^?2，性能显著优于传统Pt/C||RuO₂体系。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究具有三重重要意义：首先，通过高熵效应与氧空位工程的协同作用，突破了非贵金属OER催化剂的性能瓶颈；其次，阐明了动态表面重构与电子结构调控的构效关系，为催化剂设计提供了理论指导；最后，开发的水热-等离子体联用制备策略具有工艺简单、易于放大的优势，为工业化应用奠定了基础。该工作不仅推动了高熵材料在能源催化领域的发展，也为实现高效、低成本的绿色制氢提供了切实可行的技术方案。