《Ceramics International》：Phase-Pure NiFe
2O
4 Spinels for Alkaline Hydrogen Evolution: Comparative Experimental Evaluation and DFT Study of Electronic and Optical Properties
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摘要NiFe2O4尖晶石催化剂通过不同的NaOH浓度下的共沉淀和水热法合成。XRD和Rietveld分析确认形成了反向尖晶石NiFe2O4，且未检测到二次结晶相。共沉淀样品NFO-Prec的平均晶粒尺寸为57纳米，而水热样品NFO-Hydro的晶粒尺寸为71纳米。在1 M KOH
摘要
NiFe2O4尖晶石催化剂通过不同的NaOH浓度下的共沉淀和水热法合成。XRD和Rietveld分析确认形成了反向尖晶石NiFe2O4，且未检测到二次结晶相。共沉淀样品NFO-Prec的平均晶粒尺寸为57纳米，而水热样品NFO-Hydro的晶粒尺寸为71纳米。在1 M KOH中的电化学测量显示NFO-Hydro具有更优异的氢进化（HER）性能，在10 mA cm-2电流下所需的过电位为274.8 mV，Tafel斜率为104.95 mV dec-1-22O4的铁磁半导体特性，并对其电子和光学性质提供了进一步的见解。
引言
由于气候变化和化石资源的持续枯竭[1]，[2]，[3]，全球能源危机使能源安全成为当今最紧迫的挑战之一。在此背景下，氢作为一种清洁且多用途的能源载体受到了广泛关注[4]，[5]。氢不仅因其高能量密度和热值而受到重视，还因其易于储存和转化为电能而受到青睐。这些特性使氢成为部分替代化石能源的理想选择。
有多种氢生产方法[6]，包括化学和生物学途径；然而，水电解仍然是最具吸引力的方法之一[7]，[8]。其原理很简单：将水分解为H2和O2。但实际上，由于氢进化反应（HER）和氧进化反应（OER）的动力学较慢，这一过程效率较低[9]。电解可以通过三种主要方法进行：质子交换膜、固体氧化物和碱性[10]。每种方法都有其优势和局限性；但由于技术成熟度较高、成本相对较低以及与地球丰富的材料兼容性良好[11]，[12]，碱性电解仍然被广泛使用。
镍在这一领域发挥着关键作用。镍具有有利的电子结构、优异的稳定性以及悠久的工业应用历史[13]，[14]。然而，其缓慢的动力学和性能随时间的退化限制了其有效性[9]，[15]。为了克服这些限制，镍常与其他元素（如钴、铁、钼和磷）结合使用[16]，[17]。其中，铁特别突出。铁可以提高稳定性、催化效率并增加表面粗糙度，从而增大活性表面积[18]。这使得人们对NiFe2O4尖晶石氧化物兴趣日益增加，因为它们可以用作HER和OER的双功能催化剂。
获得单相NiFe2O4需要仔细控制合成条件，尤其是在前驱体形成和随后的结晶过程中。Chanda等人[9]报告称，在475°C下共沉淀和煅烧后NiFe2O4和Fe2O3共存。Li等人[19]进一步证实了热处理的重要性，他们表明共沉淀的FeOOH和Ni(OH)2前驱体在煅烧过程中逐渐转化为结晶NiFe2O42O3，在1000°C时获得了单相NiFe2O4。在后续研究中也观察到了类似的相变[22]。除了热处理外，溶液条件也会影响相的形成。Lafta[23]观察到在水热合成过程中从赤铁矿向尖晶石镍铁氧体的pH依赖性转变。Zhou等人[24]表明结晶受水热温度、反应时间和溶剂组成的影响，而Majid等人[25]报告了水热产物和溶胶-凝胶产物在结晶度和晶粒尺寸上的差异。这些研究突显了NiFe2O4相形成对合成条件的敏感性，并激发了本研究对共沉淀和水热法中NaOH浓度进行探讨的兴趣。
在这项工作中，使用两种NaOH浓度（2 M和6 M）通过共沉淀和水热法合成了NiFe2O4尖晶石催化剂。最初准备了四种样品并评估了它们的结构特性和HER性能。基于没有检测到二次结晶相以及相对较高的HER活性，选择了NFO-Hydro和NFO-Prec进行详细研究。对其结构、形态和电化学性质进行了系统分析，并通过DFT计算研究了块体反向尖晶石NiFe2O4的电子和光学性质。
章节摘录
材料
Ni(NO3)2·6H2O（99.99%）、FeCl3·6H2O（≥99%）、NaOH（99.99%）、KOH（99.99%）和玻璃碳购自Sigma-Aldrich（德国Schnelldorf）。
结果与讨论
最初合成的四个样品的XRD图谱显示在图S1中。使用2 M NaOH共沉淀制备的样品显示出归因于α-Fe2O3的额外反射，而在其他三个样品中未检测到二次结晶相。基于其相组成和相对较高的HER活性，选择了NFO-Hydro和NFO-Prec进行进一步研究。
X射线衍射分析提供了图1中的衍射图。
电化学
在不同的表征之后，通过电化学测试评估了两种样品在1M KOH溶液中的氢进化反应（HER）的电催化活性。使用线性扫描伏安法（LSV）评估了两种催化剂的HER极化行为和电催化性能，而Tafel分析对其表观反应动力学提供了见解。
图6a显示了氢进化反应（HER）的极化曲线
结论
总之，本研究表明NiFe2O4的电催化性能主要受合成条件控制，而非成分修改。使用2 M NaOH制备的水热样品表现出更优异的性能，在10 mA cm-2-1
CRediT作者贡献声明
Sanaa Essalmi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，形式分析，数据管理，概念化。Joel Ngunza Dungu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究，形式分析，数据管理，概念化。Hassan Ait ahsaine：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究，资金获取，形式分析，数据管理
致谢
Ait Ahsaine教授感谢摩洛哥拉巴特Mohammed V大学的科学教职员工以及Pr. Chrafih进行的实验和DFT计算。Pr. BaQais感谢沙特阿拉伯利雅得Princess Nourah bint Abdulrahman大学PNURSP2026R230项目的研究人员提供的支持。Ait Ahsaine教授感谢ENSUS可持续性主席团（UM6P）对该项目部分资助。
Joel Ngunza Dungu|Sanaa Essalmi|Fouad Alloun|Younes Chrafih|Amal BaQais|Mohamed Saadi|Hassan Ait Ahsaine
