北京化工大学庄仲滨课题组:具有分级结构的高性能NiFe LDH/N-doped Co/NF阴离子交换膜电解水析氧阳极

背景介绍

氢能因其能量密度高和产物无污染的特性，是可持续能源系统的理想能量载体。目前，氢的生产主要是通过水汽重整实现。因此，迫切需要可持续的绿色制氢技术来满足日益增长的需求。阴离子交换膜电解水技术(AEMWE)因其高效率和适用非贵金属电极材料等特点脱颖而出，为工业规模的绿氢制备应用提供了高效、低成本的解决方案。然而，由于电解水阳极析氧反应（OER）涉及四电子转移过程进而导致动力学缓慢，AEMWE阳极催化活性成为限制器件能量转换效率的瓶颈之一。同时，由非贵金属OER催化剂在高氧化电位下溶解和剥离导致的稳定性问题也是器件应用的重要挑战之一。因此，提高AEMWE阳极效率和耐久性对于发展AEMWE技术至关重要。

成果简介

本文提出了一种自上而下的分级结构阳极构建策略，通过水热-气相还原氮化-电沉积方法合成了一种具有分级结构的NiFe LDH/N-doped Co/NF电极。这一电极的分级结构体现在由自支撑泡沫镍（NF）基底上生长N掺杂Co（N-doped Co）纳米线阵列，并在纳米线上生长NiFe LDH纳米片。NiFe LDH/N-doped Co/NF电极表现出卓越的OER性能：仅需262 mV的过电位就可达到100 mA cm^-2的电流密度，并在100小时工作中仅增加7 mV过电位。以该电极为阳极组装的AEMWE器件仅需1.63V的槽压就能达到1 A cm^-2的电流密度，超越大多数已报道阳极的性能。相关的结构表征和对照实验表明，分级结构阳极通过纳米线阵列的中间层增加电极活性比表面积，加强催化剂与基底之间的结合力，提高了活性和稳定性。

图文导读

图1展示了电极的制备示意图：通过水热-气相热处理和还原氮化合成N-doped Co纳米线阵列，然后通过电沉积在纳米线上原位生长NiFe LDH，形成具有分级结构的NiFe LDH/N-doped Co/NF。SEM图像表明NiFe LDH与N-doped Co纳米线紧密结合，且元素映射图像表明组成元素在大范围内分布均匀，说明分级结构在NF基底上的均匀密集生长。

图2为NiFe LDH/N-doped Co/NF中各组成元素XPS高分辨谱图。NiFe LDH/N-doped Co/NF中Ni和Fe的结合能发生了负移，而Co的结合能则向更高的位置移动，这表明N-doped Co纳米线阵列可能扮演着电子供体的角色，也印证了N-doped Co纳米线阵列与NF基底和NiFe LDH层可能存在的强相互作用。

  图3是在1 M KOH电解液中评价的NiFe LDH/N-doped Co/NF及其它对比电极的OER活性、稳定性及相关电化学性质表征。其中，NiFe LDH/N-doped Co/NF具有优异的OER活性，仅需262 mV过电位就达到100 mA cm^-2电流密度，且在100小时的恒电流测试中过电位仅增加7 mV，表明其优于其它电极的活性和稳定性。电化学活性表面积测试证明了NiFe LDH/N-doped Co/NF的高活性来源于其分级结构所带来的高比表面积。

  图4为在60℃和1 M KOH条件下进行的AEMWE器件性能测试结果。以NiFe LDH/N-doped Co/NF为阳极的AEMWE器件在1.63 V时就达到1 A cm^-2的电流密度，在2.0 V时达到4.84 A cm^-2，体现了优于对照阳极的活性。同时，该器件在超过90小时的连续运行过程中，表现出良好的稳定性。相关表征结果表明NiFe LDH/N-doped Co/NF在器件中的优异性能源于分级结构在电催化活性、传质和电导等方面的协同提升，为适用于器件的高性能电极材料设计提供了可行的设计思路。

Wang J, Wang Y, Guo X, et al. Hierarchical NiFe LDH/N-doped Co/nickel foam as highly active oxygen evolution reaction electrode for anion exchange membrane water electrolysis. Nano Research, 2025, 18(2): 94907190.

转自：Nano Research公众号