南京工业大学材料科学与工程学院Yalei Zheng、Yangxin Bai、Jiaxin Lu等研究人员在《Journal of Materials Science & Technology》2026年第242卷上发表了一项关于非贵金属镍钴（NiCo）双金属气凝胶催化剂的研究。该研究通过高温碳热还原技术成功构建了具有高效析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）活性的新型催化剂，为电解水制氢技术提供了低成本、高性能的解决方案。以下从七个方面对这一研究进行全面介绍。
一、研究团队与发表信息
本研究由南京工业大学材料科学与工程学院Yalei Zheng、Yangxin Bai、Jiaxin Lu等共同完成，通讯作者为Xiaodong Wu、Sheng Cui和Xiaodong Shen。合作单位包括南京工业大学江苏省先进无机功能复合材料协同创新中心、材料化学工程国家重点实验室及南通夏尔电气科技有限公司。论文于2026年5月在线发表，标题为《Constructing of non-precious metal-based NiCo bimetallic aerogel by thermal reduction of carbon species under elevated temperatures for efficient oxygen evolution reaction》。
二、学术背景与研究目标
电解水制氢技术因零碳排放特性成为可再生能源领域的研究热点，但其阳极析氧反应（OER）因四电子转移过程动力学缓慢，需依赖高成本贵金属催化剂（如RuO₂）。非贵金属催化剂虽成本低，但存在导电性差、活性位点不足等问题。气凝胶材料因其高比表面积和分级多孔结构成为理想载体，但传统化学还原法制备的金属气凝胶存在反应剧烈、安全性差等缺陷。本研究旨在开发一种通过高温碳热还原氧化物气凝胶制备NiCo双金属气凝胶的新方法，优化其电子结构与孔隙率，提升OER性能。
三、研究流程与方法
研究分为四个关键步骤：
气凝胶前驱体制备
- 以NiCl₂·6H₂O和CoCl₂·6H₂O为金属源，邻苯二甲酸（Phthalic Acid, Oxa）为碳源，聚丙烯酸（Polyacrylic Acid, PAA）为模板剂，环氧丙烷（Propylene Oxide, PO）为交联剂，通过溶胶-凝胶法在50℃下形成三维网络结构湿凝胶。
- 通过超临界CO₂干燥获得氧化物气凝胶前驱体。
高温碳热还原
- 在氮气氛围下，以400℃、600℃、800℃梯度升温处理气凝胶前驱体。邻苯二甲酸分解产生的还原性碳将Ni/Co氧化物还原为合金（反应式：NiO + C → Ni + CO₂）。
- 通过调控Oxa/金属摩尔比（0.17–0.84）和Ni/Co比例（0.2:1–5:1）优化材料组成，最终确定最佳条件为Ni/Co=2:1、Oxa/M=0.67、600℃热处理。
材料表征
- 结构分析：X射线衍射（XRD）证实NiCo合金（PDF#4-850与15-06）为主相，扫描电镜（SEM）显示三维多孔结构，比表面积（BET）达227.84 m²/g。透射电镜（TEM）观察到40–50 nm合金颗粒与100 nm羟基氧化物共存。
- 化学状态：X射线光电子能谱（XPS）显示Ni⁰（853.06 eV）和Co⁰（779.2 eV）信号峰，证实合金形成；拉曼光谱（Raman）ID/IG=0.64表明碳载体为无序结构。
电化学性能测试
- 在1 M KOH电解液中，采用三电极体系测试OER活性。最优样品Ni₂Co-Oxa₀.₆₇–600在10 mA/cm²电流密度下过电位仅为330 mV，低于商用RuO₂（350 mV）。
- 塔菲尔斜率（Tafel Slope）低至69.50 mV/dec，双电层电容（Cdl=7.25 mF/cm²）表明活性位点丰富。72,000秒恒电流测试后电位无显著变化，证明长期稳定性。
四、主要研究结果
结构-性能关系
- 高温碳热还原成功将氧化物转化为NiCo合金，同时保留分级孔隙（4–100 nm）。600℃处理的样品兼具高比表面积（227.84 m²/g）和合金结晶度，优于400℃（未完全还原）和800℃（颗粒团聚）样品。
- 电化学阻抗谱（EIS）显示Ni₂Co-Oxa₀.₆₇–600电荷转移电阻（Rct=9.08 Ω）最低，证实其优异导电性。
原位转化机制
- OER过程中，NiCo合金表面转化为层状双氢氧化物（LDH）结构。XPS显示反应后Ni⁰和Co⁰含量降至0%和15.33%，而Ni(OH)₂和CoOOH比例上升至49.46%和84.67%。
理论计算验证
- 密度泛函理论（DFT）表明，LDH结构中Co位点对*OOH中间体的吸附自由能（ΔG*OOH=–0.265 eV）最优，理论过电位仅0.515 V，与实验结果吻合。电子态密度（PDOS）分析显示Co 3d轨道与O 2p轨道强杂化，促进反应动力学。
五、研究结论与价值
本研究创新性地通过碳热还原法制备了高性能NiCo双金属气凝胶催化剂，其OER活性超越商用RuO₂。科学价值在于：
1. 揭示了碳热还原过程中金属氧化物→合金→LDH的动态转化机制；
2. 通过电子结构调控与多孔协同效应，解决了非贵金属催化剂导电性与活性位点暴露的难题。
应用价值体现在为电解水制氢、金属-空气电池等提供了低成本、易工业化的催化剂设计方案。
六、研究亮点
- 方法创新：首次利用邻苯二甲酸衍生的碳实现氧化物气凝胶的温和还原，避免了传统化学还原剂（如NaBH₄）的安全风险。
- 性能突破：过电位（330 mV）和稳定性（72,000秒）优于多数文献报道的非贵金属催化剂（见表2对比数据）。
- 机制深化：通过原位表征与DFT计算，明确了LDH结构对OER活性的决定性作用。
七、其他发现
研究还发现Ni/Co比例对磁性能有显著影响：随着Ni含量增加，合金饱和磁化强度降低（图2i），这为磁性催化剂设计提供了新思路。此外，该制备工艺可扩展至其他双金属体系（如FeCo、NiFe），具有普适性潜力。
（注：文中实验数据及图表引用自原文，具体可参考Supplementary Materials部分。）