【研究背景】

碱性水/海水电解技术中，氧气析出反应(Oxygen Evolution Reaction,OER) 因多步质子-电子耦合过程导致过电位高、动力学缓慢，贵金属催化剂（如 RuO₂、IrO₂）成本高且稀缺，需开发高效稳定的过渡金属基催化剂。

应用模块：DMol₃模块

研究目的：构建非晶-晶态异质界面可调节中间体吸附能、促进电荷转移。非晶材料含不饱和金属位点，晶态材料利于电子传输，两者结合可优化催化性能。

DOI:10.1007/s12274-024-6469-9

【理论研究方法】

采用密度泛函理论（DFT）计算，分析异质界面的电荷密度分布、电子局域函数（ELF）、态密度（DOS）等，揭示界面电荷重构形成新电荷转移通道（Co-Fe）的机制，阐明其对导电性和催化效率提升的作用。

【研究结果】

1、催化活性（实验分析）

图1 NiCo2O4/NF、NiFe-LDH/NF、RuO2/NF和 NiFe-LDH/NiCo2O4/NF 的析氧反应（OER）催化性能：（a）极化曲线；（b）不同电流密度（50、100和200mAcm-2)）下的过电位；（c）塔菲尔斜率；（d）双电层电容（Cdl）计算曲线；（e）所有样品在 50 mV・s⁻¹ 扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；（f）在 1.55 V vs. RHE 下的奈奎斯特图（插图为等效电路图）；（g）长期耐久性测试（无 iR 补偿）；（h）不同电解液中的极化曲线；（i）NiFe-LDH/NiCo2O4/NF 在 1.0 M KOH + 0.5 M NaCl 中的计时电位测试（无 iR 补偿）。

在 1 M KOH 中，NiFe-LDH/NiCo2O4/NF 实现 10 mA・cm⁻² 和 100 mA・cm⁻² 电流密度所需过电位分别为 193 mV 和 236 mV，优于 NiCo2O4/NF（401 mV）、NiFe-LDH/NF（277 mV）及 RuO2/NF（330 mV）。

塔菲尔斜率斜率为 57.6 mV・dec⁻¹，反应动力学最快；周转频率（TOF）为 0.0143 s-1，是纯 NiCo₂O₄的 5.5 倍，表明高本征活性。

2、催化稳定性（实验分析）

在碱性海水（1 M KOH+0.5 M NaCl）中连续运行 150 h 后，过电位仅增加 5.73%，电流密度保持率95.6%，结构和成分无明显降解。

3、作用机制（理论分析）

图2 不同测试电位（1.4-1.7 V vs. RHE）下的奈奎斯特图：(a) NiCo₂O₄/NF 和 (b) NiFe-LDH/NiCo2O4/NF；(c) NiCo2O4/NF 和 NiFe-LDH/NiCo2O4/NF 在1.55 V vs. RHE下的波特相位图；(d) NiFe-LDH/NiCo2O4 的三维电荷密度差图像（侧视图，蓝色区域为电荷耗尽区，黄色区域为电荷积累区）；(e) NiFe-LDH/NiCo2O4 的电子定域函数（ELF）图；(f) NiCo₂O₄、NiFe-LDH 和 NiFe-LDH/NiCo2O4 的总态密度（TDOS）和分波态密度（PDOS）。

电荷重构与转移：异质界面处电荷重新分布，形成 Co-Fe 电荷转移通道，降低界面电阻（Rct=0.107Ω），提升电荷转移效率。

活性位点增加：非晶态 NiFe-LDH 提供丰富不饱和金属位点，晶态NiCo₂O₄促进电子传输，两者协同加速OER中间体（如M-OOH）的生成与转化。

表面特性优化：复合电极兼具超亲水性（接触角0°）和疏气性，促进电解液扩散与气泡脱附，优化反应动力学。

【研究结论和意义】

研究结论：

成功构建非晶-晶态异质结构 NiFe-LDH/NiCo₂O₄/NF，通过界面电荷重构和 Co-Fe 电荷通道显著提升 OER活性与稳定性。

研究意义：

为开发高效碱性水/海水电解催化剂提供了新策略，有望推动可再生能源制氢技术的实际应用。

End