三维花状纳米片与CoFe LDH纳米片的协同耦合，在碱性介质中实现高效的氧气释放反应

时间：2026年3月20日

来源：Journal of Electroanalytical Chemistry

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水裂解电催化材料MoNi@CoFe/NF通过两步水热法合成，其3D花状MoNi LDH纳米片与2D CoFe LDH纳米片复合结构显著提升氧析出活性，过电位208mV@10mA/cm²，稳定性200h，DFT证实异质结构增强电子转移与中间体吸附。

余恩泽|钟宇|姜浩宇|吴江|陈乐|王涛|王环南|文吉丽|胡梦圆|刘启珍|林佳

上海电力大学能源与机械工程学院，中国上海200090

摘要

基于地球丰富金属（如Ni、Fe、Co）的高活性、稳定且成本效益高的电催化剂的开发对于推进水电解技术至关重要。在这项工作中，通过两步水热法合成了一种新型复合材料MoNi@CoFe/NF。该材料具有三维花状MoNi层状双氢氧化物（LDH）纳米片与二维层状CoFe LDH纳米片的结合。值得注意的是，用三维花状MoNi LDH纳米片对CoFe LDH进行改性后，活性位点的数量增加，促进了电解质的扩散，并诱导产生了更多的氧空位。得益于MoNi LDH和CoFe LDH之间的强烈协同效应以及它们独特的结构特性，所得到的MoNi@CoFe/NF结构催化剂表现出优异的氧演化反应（OER）性能。在电流密度为10 mA cm⁻²时，其过电位低至208 mV。对于整体水分解反应，仅需1.62 V即可实现10 mA cm⁻²的电流密度，并且在200小时内保持稳定性。密度泛函理论（DFT）结果表明，MoNi LDH和CoFe LDH的结合促进了电子转移，增强了氧中间体的吸附，加快了碱性OER的动力学过程，从而提高了催化性能。这项工作为利用三维和二维LDH纳米片构建分级核壳结构以增强电催化活性奠定了基础。

引言

发展清洁和可持续能源对于缓解当前的能源危机至关重要。氢被广泛认为是21世纪最具前景的清洁能源载体之一。通过可再生能源电力驱动的水电解产生的绿色氢是实现零碳和可持续能源未来的重要途径。[1]、[2]、[3]。然而，涉及四电子转移的缓慢反应动力学以及OER过程中超过1.23 V的过电位阻碍了工业碱性水电解制氢的发展[4]、[5]。因此，开发或选择高效电催化剂对于降低反应能量障碍至关重要。目前，IrO₂和RuO₂被认为是OER领域的最先进电催化剂。[6]。然而，它们的高成本和稀缺性严重限制了其广泛应用[7]、[8]、[9]。因此，开发高效的基于过渡金属的碱性OER电催化剂具有迫切的实际意义。研究表明，LDH是最有前景的碱性OER纳米材料之一，可以替代基于Ir/Ru的催化剂，这得益于它们独特的二维层状结构、高比表面积和可调的电子特性[10]、[11]、[12]。特别是，最近的研究发现，基于CoFe的LDH在水分解尤其是OER方面展现出巨大潜力，这归因于Co和Fe离子之间的强烈协同效应。然而，它们固有的低电导率和不足的活性位点限制了它们在水电解OER中的应用[13]。在过去的十年中，已经建立了一系列有效策略来提高基于LDH的电催化剂的OER性能。例如，通过纳米结构化增加活性表面积；调节电子结构或构建混合材料以加速电荷转移，以及优化催化剂与反应中间体之间的结合能[14]、[15]、[16]。此外，催化剂的形态在水分解过程中也起着关键作用[17]、[18]。近年来，涉及两个或多个活性组分的核壳配置的界面工程策略引起了广泛关注。这种结构的优势在于提供了更大的比表面积，从而暴露出更多的活性位点。同时，耦合材料之间形成的纳米界面可以有效地促进电荷转移，并为进一步调节反应中间体的吸附能提供可能性。这些特性对于提高OER效率至关重要。例如，Fan等人[19]合成了具有三维核壳结构的NiMoO₄/NiFeS异质结构，其中相互连接的NiFeS纳米片紧密锚定在NiMoO₄纳米棒上，显著提高了OER活性。这种增强主要归因于异质界面处的协同效应，它加速了电荷转移，优化了稳定性和活性之间的平衡，并增加了催化剂的比表面积。扩展的表面积有利于为水中的OH⁻离子提供更多的活性位点，从而贡献了卓越的催化活性和稳定性。Zhou等人[20]构建了CoNiP@NiFe-LDH的分级阵列，由于CoNiP核心和NiFe-LDH壳层之间的协同效应，表现出优异的电催化活性和长期稳定性。三维纳米片因其结构优势（包括大表面积和高密度的活性位点）而备受关注。[21]。由于LDH与羟基的强结合亲和力，有助于H₂O的分解，再加上纳米片结构提供的较大比表面积和分级核壳配置，LDH的集成代表了一种开发新型高效电催化剂的有效策略，用于碱性电解质中的整体水分解。

受上述研究的启发，本研究通过水热法设计并制备了一种基于镍泡沫的集成三维分级核壳结构的MoNi@CoFe，结合了具有较大比表面积和更多活性位点的三维花状MoNi LDH纳米片以及二维CoFe LDH纳米片。正如预期的那样，MoNi@CoFe结构具有高表面积和稳定性，并表现出优异的电化学性能。在这种配置中，MoNi LDH和CoFe LDH之间的协同效应显著优化了催化剂的活性，丰富了活性中心，并加速了电解质的扩散。此外，高价态Mo的存在促进了活性位点的生成，从而提高了OER效率[22]。制备的电催化剂表现出出色的OER活性和稳定性。在电流密度为10 mA cm⁻²时，其过电位低至208 mV。它可以在10 mA cm⁻²的电流密度下稳定运行36小时，在100 mA cm⁻²的电流密度下稳定运行100小时，其稳定性超越了许多最先进的电催化剂。当作为整体水分解电催化剂使用时，在电流密度为10 mA cm⁻²时，其电池电压仅为1.62 V，并且可以稳定运行200小时。DFT计算和结构表征表明，MoNi LDH和CoFe LDH的结合增强了氧中间体的吸附能力，降低了OER的能量障碍，从而提高了碱性氧演化反应性能。这项工作对于合成既经济又具有独特分级结构的LDH材料具有重要意义。

部分内容摘录

CoFe LDH@NF的合成

一块镍泡沫（NF；2 × 2 cm²）依次在盐酸、乙醇和去离子水中进行超声处理，以去除表面杂质和氧化层。随后，在剧烈搅拌下，将六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O，1 mmol）、九水合硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O，1 mmol）和尿素（10 mmol）溶解在80 mL去离子水中，形成均匀溶液。然后，将混合溶液和清洁后的镍泡沫（NF）放入...

MoNi@CoFe的合成和结构表征

分级MoNi@CoFe核壳结构的合成过程如图1(a)所示。首先使用水热法在镍泡沫（NF）基底上合成CoFe LDH纳米片。随后，通过第二步水热处理，在CoFe LDH纳米阵列上装饰三维花状MoNi LDH纳米片，其中CoFe LDH纳米片作为核心，三维花状MoNi LDH纳米片作为壳层，从而形成MoNi@CoFe核壳结构。图2(a)显示了X射线...

结论

总结来说，MoNi@CoFe氧演化电催化剂是通过简单的水热法制备的。制备的MoNi@CoFe电催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出优异的OER活性，分别只需要208 mV和254 mV的过电位即可实现10 mA cm⁻²和100 mA cm⁻²的电流密度。由于其独特的三维花状和二维纳米片的分级核壳结构，它还表现出出色的稳定性。