《Journal of Alloys and Compounds》：Low-temperature Synthesis of Uniform and Compact LiZnTi Ferrite
via a Synergistic Method
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本研究通过两步电化学沉积法制备了NiFe-LDH/CuO异质结构，其纳米 rod-片设计加速电荷转移并暴露更多活性位点，显著降低氧析出反应（OER）过电位至238mV和尿素氧化反应（UOR）电位至1.231V，DFT计算表明异质结构通过电子重分布和d带中心优化提升了催化性能。
张晓云|崔颖|秦涛|刘沐欣|葛金龙
蚌埠大学材料与化学工程学院，中国蚌埠市曹山路1866号，233030
摘要
氧演化反应（OER）的缓慢动力学阻碍了水分解制氢的发展。用尿素氧化反应（UOR）替代阳极氧演化反应可以降低热力学平衡电位，提高氢气生产效率。在本研究中，通过两步电化学沉积过程制备了NiFe-LDH/CuO异质结构，用于OER和UOR。这种纳米棒状NiFe-LDH/CuO结构中，CuO纳米棒具有快速的电子传输速率，同时NiFe-LDH纳米片暴露出更多的活性位点。DFT计算表明，NiFe-LDH/CuO异质结构诱导了电子的重新分布和d带中心的优化。所合成的异质结构催化剂在OER过程中仅需238 mV的过电位，在UOR过程中仅需1.231 V的过电位。
引言
氢作为一种可再生能源，具有高能量密度和环保特性[1]、[2]、[3]。氢能产业的发展有助于解决日益枯竭的化石资源问题和环境污染问题[4]、[5]。电化学水分解被认为是制氢的有前景的方法，它包括氢演化反应（HER）和氧演化反应（OER）[6]、[7]。然而，OER的缓慢动力学以及催化剂制备的高成本和复杂性严重阻碍了水分解的大规模应用[8]、[9]、[10]。尿素氧化反应（UOR）的理论电位为0.37 V，低于OER的1.23 V[11]、[12]。在阳极上用UOR替代OER可以降低水分解的过电位，从而降低氢气生产成本并加快反应动力学[13]、[14]、[15]。因此，开发高效且成本效益高的催化剂对于提升OER和UOR过程至关重要。
已经广泛研究了多种催化剂，如过渡金属氧化物、氢氧化物、磷化物和复合材料，用于OER和UOR[16]、[17]、[18]。其中，层状双氢氧化物（LDH）因其独特的层状结构和可调组成而受到关注[19]。具有丰富活性位点的LDH具有高电子导电性，有利于提高催化性能[20]、[21]。特别是NiFe-LDH因其优异的内在活性和结构灵活性而被认为是OER中最有前景的催化剂之一[22]。Ni和Fe之间的协同效应可以有效优化电子构型，提高整体催化效率[23]、[24]。与传统催化剂相比，LDH表现出更低的过电位、更好的稳定性和更高的活性，使其成为OER和UOR应用中极具吸引力的候选材料[25]。
在本研究中，通过两步电化学沉积过程合理设计并制备了具有纳米棒状结构的NiFe-LDH/CuO异质结构。垂直生长的CuO纳米线顶部与层状NiFe-LDH相连，形成了独特的纳米棒状结构。这种独特的层次形态不仅促进了快速的电子传输，还暴露出更多的活性位点，从而降低了OER和UOR所需的过电位。此外，异质结构的形成诱导了电子的定向重新分布，优化了能带结构并加快了OER反应动力学。结果表明，NiFe-LDH/CuO异质结构表现出优异的电催化性能和稳定性，优于其单独组分。
材料与试剂
硝酸镍六水合物（Ni(NO?)?·6H?O）、氯化铁四水合物（FeCl?·4H?O）和氢氧化钾（KOH）购自Aladdin Industrial Co., Ltd。乙炔黑和Nafion分散液（5 wt%）购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd。所有试剂均按原样使用，无需进一步处理。
催化剂制备
NiFe-LDH/CuO异质结构是通过两步过程制备的，首先形成CuO纳米棒阵列，然后进行NiFe的原位电化学沉积
结果与讨论
图1展示了通过两步电化学沉积过程制备NiFe-LDH/CuO的合成步骤。XRD结果表明，NiFe-LDH/CuO在碳纤维（CF）上形成（见图2）。在43.29°、50.43°和74.13°处分别出现了三个峰，对应于CF的（111）、（200）和（220）晶面。位于33.09°的峰对应于CuO纳米棒。24.64°、28.58°、34.46°、39.11°、42.17°和63.44°的峰表明NiFe-LDH在CuO纳米棒上形成
结论
本研究报道了一种具有纳米棒状结构的NiFe-LDH/CuO异质结构。NiFe-LDH/CuO的多层次结构可以加速电荷传输并暴露更多活性位点。NiFe-LDH与CuO界面处的电子重新分布提高了异质催化剂的催化活性。d带中心的优化有利于OER中间体的吸附，降低了过电位并加快了催化动力学。所合成的NiFe-LDH/CuO
作者贡献声明
张晓云：撰写初稿、监督、方法论设计、资金申请。秦涛：撰写与编辑、监督。崔颖：方法论设计、数据整理。葛金龙：实验研究、数据分析。刘沐欣：软件操作、方法论支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了蚌埠大学高层次人才研究启动基金项目（项目编号2025GQD027）、可控设计与应用功能性粉末材料科研创新团队（项目编号2025XKJCTD02）、生物质基高强度碳纤维制备技术研究（项目编号00014123）、生物质基功能性材料研发与应用研究（项目编号000149026）等项目的财政支持
