等离子体驱动氧空位工程构筑高熵层状双氢氧化物催化剂用于高效析氧反应

推荐：本研究通过水热合成结合Ar等离子体处理策略，成功制备了富含氧空位的高熵层状双氢氧化物催化剂P–NiFeCoMnCu-LDH/NF。该催化剂在碱性条件下表现出卓越的OER性能（198 mV@10 mA·cm?2，Tafel斜率39.8 mV·dec?1），并通过原位拉曼和DFT计算揭示了氧空位促进电子离域、降低能垒的作用机制，为高熵材料催化剂设计提供了新思路。

　　

随着化石能源过度消耗引发的环境问题日益严峻，开发清洁可再生能源成为全球可持续发展的关键课题。氢能作为最具潜力的替代能源，其规模化制备依赖于高效、低成本的电解水技术。然而，析氧反应(OER)作为水分解的决速步骤，存在动力学缓慢、过电位高等瓶颈问题。尽管贵金属催化剂如RuO₂和IrO₂表现优异，但其高昂成本制约了实际应用。近年来，层状双氢氧化物(LDH)因其可调控的电子结构和丰富活性位点成为研究热点，但传统双金属LDH仍面临导电性差、活性位点不足等挑战。

针对这一难题，研究人员创新性地将高熵材料的多金属协同效应与氧空位工程相结合，通过简单的水热法和后续Ar等离子体处理，在泡沫镍基底上构建了富含氧空位的五元高熵LDH催化剂P–NiFeCoMnCu-LDH/NF。该催化剂在1 M KOH电解液中仅需198 mV过电位即可达到10 mA·cm^?2的电流密度，Tafel斜率低至39.8 mV·dec^?1，并能在100 mA·cm^?2高电流下稳定运行100小时。通过原位拉曼光谱证实，催化剂在反应过程中动态重构形成γ-NiOOH活性相，而密度泛函理论(DFT)计算进一步阐明氧空位通过优化电子离域、促进电荷转移，将速率决定步骤(O*→OOH*)的能垒显著降低，从而大幅提升OER动力学。

主要技术方法
研究采用水热法在泡沫镍上生长NiFeCoMnCu-LDH前驱体，通过Ar等离子体处理引入氧空位；利用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征材料形貌与化学状态；采用电化学工作站测试OER性能；结合原位拉曼光谱追踪反应过程中表面重构行为；基于DFT计算模拟氧空位对电子结构的调控机制。

研究结果

1. 结构表征：SEM显示等离子体处理后材料保持纳米片阵列结构，XPS证实氧空位浓度显著提升，EPR测试给出明确氧空位特征信号。
2. 电化学性能：优化后的催化剂在10 mA·cm^?2电流密度下过电位较未处理样品降低42 mV，且优于所有对比组（四元、三元及二元LDH）。
3. 机理探究：原位拉曼发现动态生成的γ-NiOOH是真实活性物种，DFT计算表明氧空位使Ni的d带中心上移，优化中间体吸附能。
4. 全水解应用：与Pt/C组成的电解槽仅需1.49 V电压即可驱动10 mA·cm^?2的全水解电流，能量效率较传统Pt/C||RuO₂体系提升15%。

结论与意义
该研究通过高熵效应与氧空位的协同作用，成功突破了多金属LDH催化剂的活性限制。等离子体处理不仅创造了丰富的氧缺陷，还通过多金属电子耦合效应优化了活性位点的本征特性。理论计算与实验结果的相互印证，为理解氧空位促进OER的原子级机制提供了新视角。所开发的催化剂在工业级电流密度下展现出的卓越稳定性，以及全水解装置的低能耗特性，标志着高熵材料在清洁能源转换领域的重大应用突破。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的工作，为基于缺陷工程的高效催化剂设计提供了普适性策略，对推动绿色氢能产业化发展具有重要指导价值。