应用成果

DOI：10.1039/D5CC06085K

全文概述

本文报道了一种超快液相焦耳热（ULJH）合成策略，在约24秒内于泡沫镍基底上原位制备并稳定化NiFe-LDH纳米片，显著提升了析氧反应（OER）的催化性能。该方法通过局部高温脉冲触发LDH快速生长，并与基底强界面结合，同时抑制纳米片团聚，形成超薄、暴露活性边缘的结构。所制备的NiFe-LDH-JH电极在碱性条件下表现出优异的OER活性与超长稳定性，在100 mA cm-2下过电位仅为262 mV，并在100 mA cm-2下稳定运行300小时后性能衰减极小。

文章亮点

（1）秒级合成：ULJH技术实现秒级原位生长，显著优于传统水热法（数小时至数天）。

（2）性能优异：在100 mA cm-2高电流密度下过电位低至262 mV，性能优于大多数已报道材料及商用RuO2。

（3）界面强化：热冲击诱导的晶格锚定增强界面结合，防止催化剂脱落。苛刻条件下稳定运行超过300小时，性能衰减极微。

（4）缺陷工程：非平衡合成引入大量氧空位（34.1%），优化电子结构与反应动力学。

图文解析

图1：合成示意图与结构表征

图（a）ULJH合成示意图显示，通过通电在含Ni²⁺/Fe³⁺的盐溶液中实现秒级原位生长。图（b-c）SEM显示，NiFe-LDH-JH在泡沫镍上形成均匀、多孔的超薄纳米片结构。图（d-f）TEM与HRTEM显示，清晰晶格条纹（0.26 nm和0.15 nm），对应NiFe-LDH的（012）与（110）晶面。图（g-j）EDS mapping直观呈现Ni、Fe、O三种元素在催化剂中的分布情况，三种元素均匀分散，表明NiFe-LDH的成功合成及元素的均匀掺杂。

图2：XPS表征分析

图（a）XPS全谱显示Ni、Fe、O均存在，与EDS Mapping结果一致，说明催化剂组成符合设计预期。图（b）Ni 2p谱显示Ni²⁺与Ni³⁺共存，且NiFe-LDH-JH的峰位向低结合能偏移，表明电子密度增强。图（c）Fe 2p谱中Fe³⁺峰也出现负移，反映局部电子结构优化。图（d）O 1s谱显示氧空位含量显著提高（从12.6%提升至34.1%），氧空位可促进局部电子重分布，加速OER动力学。

图3：电催化性能评估

图（a-b）LSV曲线显示NiFe-LDH-JH在10和100 mA cm⁻²下过电位最低（220 mV和262 mV），且在高电流密度下优势更明显，符合工业应用需求。图（c）Tafel斜率为45.4 mV dec⁻¹，表明反应动力学更快。图（d）EIS谱显示电荷转移电阻显著降低。图（e）双电层电容（Cdl）达5.2 mF cm⁻²，表明活性面积更大，暴露的活性位点更多。图（f）将NiFe-LDH-JH与已报道的优秀OER催化剂进行性能对标，证实其在100 mA cm⁻²电流密度下的过电势处于领先水平。图（g-h）300小时恒流测试后性能衰减极小，催化剂结构保持完整。

图4：AEMWE电解槽性能表征

图（a）为AEMWE图片，展示了装配的NiFe-LDH-JH||Pt/C和NiFe-LDH-HT||Pt/C电解槽。图（b）示意图详细标注各组件位置及电解质流动方向。图（c）极化曲线显示，NiFe-LDH-JH基电解槽在500 mA cm⁻²下仅需1.75 V，远低于NiFe-LDH-HT，表明其具有更高的水分解活性。图（d）性能对比显示，在1.80 V下，NiFe-LDH-JH基电解槽的电流密度达680 mA cm⁻²，是NiFe-LDH-HT的2.66倍。图（e）长期稳定性测试：在500 mA cm⁻²下运行100小时，NiFe-LDH-JH基电解槽的电压衰减率仅为0.47 mV h⁻¹，优于多数非贵金属基AEM电极。

总结与展望

本文提出的超快液体焦耳热合成策略，为高效、稳定的非贵金属析氧催化剂的规模化制备提供了新思路。该方法通过秒级热冲击实现LDH的原位生长与界面强化，同时引入丰富的氧空位，显著提升了电荷传输与催化活性。未来该技术有望拓展至其他层状双氢氧化物或金属氧化物的快速合成，推动电解水制氢、金属-空气电池等能源转换技术的实际应用。

通讯作者简介

郭春显，苏州科技大学教授，材料科学与工程学院院长，博士生导师，国家级海外高层次青年人才，江苏省高等学校优秀科技创新团队带头人，江苏省生化传感与芯片技术工程研究中心主任。博士毕业于新加坡南洋理工大学，先后在西南大学、新加坡国立大学、美国凯斯西储大学、澳大利亚阿德莱德大学开展教学和研究工作。研究方向聚焦电催化、超敏传感技术，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等国家级项目7项。发表学术论文200余篇，论文总被引用24900余次，h-index为72，入选科睿唯安全球高被引科学家榜单。获国家海外高层次青年人才、江苏省双创人才等称号，研发成果获中国产学研合作创新成果奖。担任《Materials Reports: Energy》副主编。

胡传刚，北京化工大学教授，氢能科学与工程专业负责人，博士生导师，国家级海外高层次青年人才，入选斯坦福大学2024全球前2%顶尖科学家和2024终身科学影响力榜单，从事先进高效稳定电极材料的精确设计、合成与制备，及其在锂/钠离子电池、锂/锌-空气电池、燃料电池等可再生新能源器件中的应用。在国际知名学术期刊发表SCI论文100余篇，参与编著英文书籍3章。论文总被引18620余次，h-index为70。其中60余篇论文以第一或通讯作者发表在PNAS.、Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Energy Mater. 等国际顶级期刊。Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Energy Mater. Nano Energy等国际重要学术期刊审稿人。Materials in Frontiers特刊主编，Nano research energy、e-science、Int. J. Min. Met. Mater.、物理化学学报等期刊青年编委。

刘峰，博士，苏州科技大学讲师，博士毕业于北京化工大学，师从戴黎明教授，2022.09-至今担任苏州科技大学材料科学与工程学院、材料科学与器件研究院讲师，主要研究方向为先进纳米材料的可控制备及其能源电催化应用，能源转换与储存技术（包括燃料电池、电解水制氢、金属-空气电池、电催化耦合系统等）。迄今在国际知名学术期刊Science Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Small, Chemical Engineering Journal, Chemical Communications等期刊上发表论文20余篇。承担科研项目4项，包括主持国家自然青年科学基金项目（C类）、江苏省自然青年科学基金项目、江苏省高等学校自然科学研究面上基金项目及苏州科技大学青年引进人才项目。

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