基于紫外/过氧化氢高级氧化过程的膜电极组件自由基降解机制研究

针对碱性电解水制氢中析氧反应(OER)过电位高、动力学缓慢的瓶颈问题，研究人员通过氩等离子体处理构建富氧空位的高熵层状双氢氧化物催化剂(P–NiFeCoMnCu-LDH/NF)，实现了198 mV@10 mA·cm?2的超低过电位和39.8 mV·dec?1的塔菲尔斜率，其连续100小时@100 mA·cm?2的稳定性和1.49V@10 mA·cm?2的全水解电压为工业制氢提供了新型高效催化剂设计范式。

　　

随着化石能源过度开发引发的环境危机加剧，氢能作为清洁能源载体成为解决能源安全与碳中和的关键突破口。碱性电解水制氢技术虽具工业化前景，但其阳极析氧反应(OER)存在的超高过电位和缓慢动力学严重制约整体能效。当前商用铱/钌基催化剂受限于稀缺性和成本，而传统镍基层状双氢氧化物(LDH)又面临活性位点不足、导电性差等挑战。如何通过材料创新同步提升催化活性和稳定性，成为推动水电解技术规模化应用的核心科学问题。

中国博士后科学基金资助项目团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，创新性地将高熵效应与氧空位工程相结合，开发出具有突破性性能的P–NiFeCoMnCu-LDH/NF催化剂。该工作采用两步法策略：先通过水热法在泡沫镍基底上生长五元高熵LDH纳米阵列，再经氩等离子体处理引入可控氧空位。借助原位拉曼光谱和密度泛函理论计算等先进表征手段，系统揭示了氧空位对电子结构调控和反应动力学强化的分子机制。

【Structural characterizations】
扫描电镜显示等离子体处理后催化剂保持垂直纳米片阵列结构，X射线光电子能谱证实氧空位浓度提升至12.3%。同步辐射X射线吸收精细结构谱表明，氧空位诱导的Ni²⁺/Ni³⁺价态震荡和Co-Mn电子转移通道的形成，使电荷再分配效率提高3.7倍。

【Conclusion】
优化后的催化剂在1 M KOH中展现出类贵金属催化性能：10 mA·cm^?2电流密度下过电位仅198 mV，塔菲尔斜率39.8 mV·dec^?1，优于四元/三元/二元LDH对照组。连续100小时100 mA·cm^?2稳定性测试后活性衰减<2%，原位拉曼证实其表面动态重构生成γ-NiOOH活性相。DFT计算阐明氧空位通过降低O*→OOH*决速步能垒（从1.58 eV降至0.92 eV）和优化d带中心位置（上移0.35 eV）双重作用提升本征活性。

该研究的创新价值在于：首次证实高熵LDH中氧空位与多金属协同的"鸡尾酒效应"可突破Sabatier原理限制，所构建的Pt/C||P–NiFeCoMnCu-LDH/NF电解槽在1.49V@10 mA·cm^?2工作电压下较传统Pt/C||RuO₂系统节能17%，为设计新一代非贵金属电解水催化剂提供了理论指导和技术路径。这种等离子体处理策略的普适性，有望拓展至其他能源转换材料的缺陷工程设计。