动态晶格稳定策略实现高耐久FeNi基析氧电催化剂的研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由宁波大学材料科学与化学工程学院的Chongyi Chen团队与宁波工程学院微纳材料与器件研究所的Qiao Liu团队合作完成，主要作者包括Guangke Huang、Jianwen Chen等。研究成果发表于ACS Catal.（2025年7月），标题为《Dynamic Lattice Stabilization Enables Robust FeNi-Based Electrocatalysts for Oxygen Evolution》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于电催化析氧反应（OER, Oxygen Evolution Reaction）领域，聚焦于碱性阴离子交换膜电解水（AEM-WE, Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer）中非贵金属催化剂的开发。
研究动机：FeNi基（氧）氢氧化物是目前最具潜力的OER催化剂，但在高电流密度（>400 mA cm⁻²）、高温（60–85°C）及强碱（>1 M KOH）条件下，Fe的持续溶出导致晶格畸变和活性位点损失，严重限制其长期稳定性。
研究目标：提出一种基于摩尔体积（Vm）的动态晶格稳定策略，通过嵌入Co原子原位填充Fe空位，实现FeNi基催化剂在工业级电流密度下的长效稳定。

三、研究流程与方法
1. 理论设计与机理验证
- 模型构建：采用密度泛函理论（DFT）计算FeNiOOH中Fe溶出能量及Co填充Fe空位的热力学可行性。
- 关键发现：Co的摩尔体积（Vm=6.65 cm³/mol）与Fe（7.09 cm³/mol）、Ni（6.59 cm³/mol）接近，可最小化晶格畸变（σ降低30%）。
- 创新方法：开发3×3×2超胞模型量化掺杂金属的Vm与晶格畸变相关性（Pearson系数达0.92）。

1. 催化剂合成与表征

   • 一步电沉积法：在泡沫镍（NF）基底上制备Co掺杂的FeNi层状双氢氧化物（FeCoNi-LTH），优化条件为-1.5 V电压、300秒沉积时间。
     
   • 结构表征：
     
     • XRD与TEM：显示Co嵌入扩展层间距（0.212 nm→0.205 nm），梯度分布的Co抑制Fe溶出（Fe/Co比稳定于0.75:1）。
       
     • XAS分析：Fe K边吸收谱表明Co填充后Fe价态从+2.70升至+2.92，增强Fe-O-Ni协同活性。
       

2. 电化学性能测试

   • OER活性：Fe₇Co₃Ni-LTH在500 mA cm⁻²下过电位仅287 mV，优于商用RuO₂（350 mV）。
     
   • 稳定性验证：
     
     • 长期测试：在1 M KOH、60°C下，AEM-WE连续运行2500小时（500 mA cm⁻²）无衰减；6 M KOH中1000 mA cm⁻²稳定运行310小时。
       
     • 原位拉曼：揭示Co掺杂降低重构电位（1.425 V vs. FeNi-LDH的1.475 V），加速活性相形成。
       

3. 机理深入解析

   • 动态平衡建立：ICP-MS显示电解液中Fe浓度20小时后趋于稳定，证实Co填充促进Fe³⁺再掺入晶格。
     
   • WT-EXAFS：小波变换证实FeO₆八面体在长期测试中保持完整性，Co迁移抑制相分离。
     

四、主要研究结果
1. 理论预测：Co掺杂使Fe溶出能提升1.8 eV，Fe空位形成能降低0.5 eV，动态平衡Fe溶出与再掺入。
2. 结构优势：Fe₇Co₃Ni-LTH的CDL（双电层电容）为12.5 mF cm⁻²，高于FeNi-LDH（9.8 mF cm⁻²），表明活性位点增加。
3. 工业级性能：AEM-WE在2.0 V下电流密度达950 mA cm⁻²，能耗3.82 kWh/Nm³ H₂，低于工业碱性电解槽（4.5–5 kWh/Nm³ H₂）。

五、结论与价值
科学价值：
- 提出“摩尔体积匹配”准则，为多金属催化剂设计提供普适性策略。
- 揭示Co动态填充抑制晶格畸变的原子机制，深化对OER活性位点动态稳定的理解。
应用价值：
- FeCoNi-LTH催化剂可实现千瓦级AEM电解槽的长期稳定运行，推动绿氢规模化生产。

六、研究亮点
1. 创新方法：首次将Vm作为掺杂金属筛选标准，并通过Pearson相关性分析量化其与稳定性的关系。
2. 性能突破：2500小时稳定性为目前报道的非贵金属OER催化剂最佳水平。
3. 普适性验证：扩展至CuCoNi体系，证实Vm策略适用于其他二元金属催化剂。

七、其他重要发现
- 电解质影响：即使更换纯化KOH电解液，Fe/Co比仍稳定于0.6–0.75:1，表明稳定性源于催化剂本征设计。
- 工业兼容性：36 cm²电极可在10分钟内制备，且性能与小面积样品一致，具备规模化潜力。

（全文约2000字）