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氧析出反应（OER）是电解水制氢中的关键步骤，直接影响清洁能源的生产效率。传统贵金属催化剂如铱、钌表现出良好的OER活性，但其高成本和低稳定性阻碍了大规模应用。镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）因其高效的氧吸附和解吸能力成为替代材料的研究重点。然而，NiFe-LDH在高氧析出反应电位下的晶格氧演变常导致结构崩溃，限制了催化剂的长期稳定性。本研究通过在NiFe-LDH中引入Ni4Mo合金形成异质结构，增强了晶格氧的再生能力，从而提升了催化剂的耐久性和稳定性。
成果简介
研究团队成功构建了NiFe-LDH/Ni4Mo异质结构，通过Ni4Mo作为氧泵，加速氧中间体的生成和晶格氧的再生，实现了长达60小时的稳定电解性能，比未改性NiFe-LDH提升了6倍。进一步的电化学实验和第一性原理计算结果表明，Ni4Mo的引入增强了OH-吸附，有效减缓了Ni和Fe活性物种的溶解。此外，基于NiFe-LDH/Ni4Mo的阴离子交换膜水电解槽在100 mA cm⁻²的电流密度下，展现出超过150小时的高耐久性。
研究亮点
创新的氧泵策略：Ni4Mo合金作为氧泵，加速晶格氧的生成与再生，提升了OER的稳定性。
长时间稳定性：NiFe-LDH/Ni4Mo催化剂在高电流密度下实现了显著的耐久性，适用于实际电解应用。
机制解析：通过原位光谱和DFT计算，揭示了氧中间体和电子传输在晶格氧再生过程中的关键作用。
配图精析
图1：NiFe-LDH/Ni4Mo结构表征图。(a) Ni4Mo纳米颗粒均匀分布在NiFe-LDH纳米片表面，形成了颗粒-纳米片层状结构。(b-f) SEM、TEM和EDS元素分布图清晰展示了Ni4Mo在NiFe-LDH表面的均匀分布和与晶格结构的相互作用。
图2：化学态与电子结构分析。(a-c) Ni、Fe、Mo的XPS光谱显示NiFe-LDH/Ni4Mo的电子传递机制。对比不同物种的电子迁移，表明电子从Ni4Mo传递到NiFe-LDH，有助于氧化还原活性的提升。
图3：OER性能测试。(a) 电流密度在10 mA cm⁻²时，NiFe-LDH/Ni4Mo催化剂的过电位仅为192.5 mV，远低于未改性NiFe-LDH和商业IrO₂。(d) 在100 mA cm⁻²的电流密度下，NiFe-LDH/Ni4Mo的耐久性超过150小时，显著优于传统催化剂。
图4：原位拉曼和FT-IR光谱揭示NiFe-LDH/Ni4Mo的氧中间体吸附与晶格氧再生机制。对比不同催化剂的拉曼光谱，表明Ni4Mo显著促进了NiOOH的相转变。
图5：反应机制分析。(c-f) DFT计算表明NiFe-LDH/Ni4Mo异质结构加速了氧中间体的生成，降低了反应能垒，并抑制了活性物种的溶解，从而显著提升了催化剂的稳定性。
图6：在阴离子交换膜电解槽（AEMWE）中的应用测试。NiFe-LDH/Ni4Mo基电解槽在高电流密度下实现了超过150小时的稳定运行，且具有较低的电压需求。
展望
本研究通过氧泵策略增强了镍铁层状双氢氧化物的晶格氧再生能力，有效提升了氧析出反应的耐久性和稳定性。未来研究将进一步优化氧泵结构，以在大规模电解水应用中推广，助力清洁能源的发展。
文献信息
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202413250
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202413250
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