原位构建碳点/氢氧化镍复合材料的单罐水热氧化策略及其电催化析氧性能研究

本文创新性地开发了一种单罐水热氧化策略，通过石油焦碳源与泡沫镍（NF）基底的协同作用，原位构建羟基功能化碳点（HO-CDs）修饰的Ni(OH)2/NF复合电催化剂（HO-CDs-Ni(OH)2/NF）。该材料在析氧反应（OER）中展现出353 mV@50 mA cm-2的低过电位和81.2 mV dec?1的塔菲尔斜率，其性能提升源于HO-CDs对Ni(OH)2晶体生长的调控作用及界面电子耦合效应，为过渡金属基电催化剂设计提供了新思路。

　　

1 引言

全球能源危机与环境污染问题催生了电解水制氢技术的发展，但阳极析氧反应（OER）的多电子转移过程导致动力学迟滞，亟需开发非贵金属催化剂。氢氧化镍（Ni(OH)₂）虽具潜力，但受限于导电性差和活性位点不足。碳点（CDs）因其表面官能团丰富和电荷转移快速，可作为理想的形态调控剂与导电介质。传统分步合成法存在界面结合弱、颗粒聚集等问题，而原位策略能实现CDs形成与催化剂生长的同步优化。本研究通过石油焦的H₂O₂氧化切割与NF的原位氧化，一步构建HO-CDs-Ni(OH)₂/NF复合材料，开创了碳点介导的晶体工程新路径。

2 材料与方法

以石油焦为碳源，30% H₂O₂为氧化剂，在140°C水热条件下同步实现石油焦裂解为HO-CDs（平均粒径3.55±0.06 nm）和NF表面Ni(OH)₂的原位生长。通过对比实验设计了三类催化剂：原位复合的HO-CDs-Ni(OH)₂/NF、机械混合的HO-CDs+Ni(OH)₂/NF及纯Ni(OH)₂/NF。采用高分辨透射电镜（HRTEM）观察到HO-CDs的0.21 nm石墨晶格条纹，X射线光电子能谱（XPS）证实Ni 2p结合能正移1.2 eV，揭示碳点与氢氧化镍的强电子相互作用。

3 结果与讨论

形貌调控机制：SEM显示原位样品呈现均匀纳米颗粒形貌（图3E-F），而机械混合组存在明显团聚。TEM证实HO-CDs使Ni(OH)₂从六方片状（400-600 nm）转变为不规则矩形（图4G-I），暴露出更多（101）晶面活性位点。XRD谱图显示原位样品的衍射峰强度降低，表明碳点抑制了晶体定向生长。

电子结构优化：XPS分析发现HO-CDs的羟基官能团与Ni(OH)₂形成电子转移通道，使Ni²⁺ 2p_1/2结合能升高，优化了OER中间体的吸附能。电化学阻抗谱（EIS）证实复合材料的电荷转移电阻显著降低。

催化性能突破：在1 M KOH电解液中，优化后的催化剂达到50 mA cm^-2电流密度仅需353 mV过电位，优于机械混合组（386 mV）和纯Ni(OH)₂/NF（439 mV）。其双电层电容（C_dl）达296.36 cm²，对应电化学活性面积（ECSA）提升30%。24小时恒电位测试后电流保持率92%，3000次循环后过电位仅增加6 mV，稳定性显著优于对照组。

4 结论

该研究通过精准调控碳点与氢氧化镍的界面耦合，实现了催化剂活性位点数量与本征活性的协同提升。创新性的单罐原位合成策略为过渡金属基电催化剂设计提供了普适性方法，对推进可再生能源转化技术具有重要价值。