石墨烯氧化物负载的NiCoFe-LDH@GO纳米片异质结构在甲醇和尿素辅助电解水制氢中的高效可持续应用

为解决传统电解水制氢过程中氧析出反应(OER)动力学缓慢、能耗高的问题，研究人员通过水热法构建了GO支撑的三金属NiCoFe-LDH@GO纳米片异质结构电催化剂。该催化剂在1.0 M KOH中表现出卓越性能：HER过电位仅0.138 V，OER过电位0.287 V，尿素氧化(UOR)和甲醇氧化(MOR)工作电位分别低至1.372 V和1.354 V。全电池测试显示，甲醇/尿素辅助电解可将电压降至1.495-1.509 V，显著提升能源效率，为清洁氢能生产和废水处理提供了新策略。

　　

全球气候危机日益严峻，氢能作为清洁能源备受瞩目。然而，传统电解水制氢面临两大瓶颈：氧析出反应(OER)需要高达1.23 V的理论电压，且动力学缓慢；而工业制氢主流技术如蒸汽重整会排放大量CO₂。更棘手的是，即便采用尿素氧化(UOR)或甲醇氧化(MOR)等替代反应降低能耗，仍无法避免CO₂副产物的生成。如何设计兼具高活性、低成本和环境友好特性的电催化剂，成为破解这一能源困局的关键。

韩国大邱大学(Daegu University)的研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表的研究给出创新解决方案。他们通过简易水热法，将镍钴铁三金属层状双氢氧化物(NiCoFe-LDH)与石墨烯氧化物(GO)复合，构建出具有分级异质界面的NiCoFe-LDH@GO纳米片催化剂。这种设计巧妙融合了LDH可调控的电子结构与GO的高导电性，在保持环境友好的同时，实现了电解水制氢效率的突破性提升。

研究采用改性Hummers法制备GO基底，通过尿素水解辅助的溶剂热反应合成三金属LDH，并利用PXRD、XPS等技术确认材料结构。电化学测试系统评估了催化剂在HER、OER、UOR和MOR中的性能，最后通过全电池实验验证实际应用潜力。

材料表征
XRD分析显示NiCoFe-LDH@GO成功保留了LDH的层状结构和GO的典型峰位，XPS证实Fe的引入使Ni/Co呈现更高氧化态，这种电子重构为催化活性提升奠定基础。

电化学性能
在1.0 M KOH中，催化剂表现出接近贵金属的性能：HER仅需0.138 V过电位即可驱动10 mA cm^-2电流密度，OER过电位为0.287 V。特别值得注意的是，尿素和甲醇氧化电位分别低至1.372 V和1.354 V，较传统OER降低约300 mV。

全电池应用
NiCoFe-LDH@GO作为阴阳极的双功能催化剂，在常规电解水中仅需1.683 V电压，而尿素和甲醇辅助系统更将电压降至1.509 V和1.495 V，节能效率提升约11%。对比实验证实，三金属体系显著优于二元LDH（如NiCo-LDH@GO），凸显Fe对电子协同效应的关键作用。

这项研究通过精准设计三金属LDH与GO的异质界面，实现了多重突破：其一，Fe的引入优化了金属中心电子结构，使Ni/Co保持高氧化态以促进电子转移；其二，GO基底不仅增强导电性，其负电荷表面还稳定了LDH纳米片结构；其三，尿素/甲醇辅助策略在提升能源效率的同时，为废水处理提供了新思路。该工作为开发非贵金属电催化剂树立了新范式，其简易的合成方法更具工业化应用前景，对推动氢经济时代来临具有重要意义。