海南大学邓意达、李纪红Carbon Neutralization: 碱性环境中镍铁基电催化剂析氧反应稳定性的挑战与机遇

海南大学邓意达、李纪红Carbon Neutralization: 碱性环境中镍铁基电催化剂析氧反应稳定性的挑战与机遇

题目：Stability challenges and opportunities of NiFe-based electrocatalysts for oxygen evolution reaction in alkaline media

作者信息：Yujun Han, Jingyi Wang, Yuhang Liu, Tianqi Li, Tongzhou Wang, Xinyue Li, Xinran Ye, Guodong Li, Jihong Li*, Wenbin Hu, Yida Deng*

DOI：10.1002/cnl2.110

文章链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.110

第一作者：韩羽君，王敬祎（共一）

通讯作者：邓意达，李纪红

单位：天津大学，海南大学

研究背景

鉴于全球变暖、空气污染和化石能源的枯竭，开发可持续和清洁的能源载体来替代化石燃料迫在眉睫。其中，氢能因其具有较高的能量密度和环境友好性而备受关注，且电化学水分解是制备高热值氢气的一种很有前途的方法。海水资源丰富，离子电导率高，电解海水有望成为缓解全球能源危机的关键策略。并且，当在碱性环境下析氧反应（OER）过电位小于480 mV时，不会发生析氯竞争反应。因此，研究碱性环境下OER性能对于未来实现大规模工业应用更有发展的潜力。

OER过程在能量转换技术中要求更高，因为它需要高电位来克服困难的多电子氧化还原过程，这决定了整体电解水产氢效率。因此，设计和制造具有长期稳定性的OER电催化剂对于实现大规模的工业氢生产至关重要。贵金属氧化物催化剂如氧化钌和氧化铱一直是提高OER性能的热门研究材料。然而，铱和钌由于稳定性不足和相关成本高极大地阻碍了商业用途。镍铁材料因其优异的电催化性能和低廉的成本，成为一种很有前途的过渡金属基电催化剂。1987年，Corrigan和同事报道，在氧化镍中引入低浓度(0.01%)的铁（Fe），显著提高了OER性能，证明了镍基材料对铁杂质的敏感性。这一观察结果有助于加速基于镍铁（NiFe）的各种OER电催化剂的发展。除了镍铁基电催化剂的合成和开发，活性和稳定性是设计催化OER材料时必须考虑的因素。到目前为止，从催化活性的角度对镍铁基电催化剂的最新进展进行了大量的综述。然而，很少有报道涉及NiFe基电催化剂在OER体系中的稳定性。稳定性是催化剂性能的基本指标，透彻理解OER过程中的降解机制是设计有效实用电催化剂的关键要求。

成果介绍

海南大学邓意达教授团队探讨了碱性条件下OER中镍铁基电催化剂的关键稳定性问题。该团队通过概述结构、活性和稳定性之间的基本关系，进而为工业上设计长期稳定的、低成本的电催化剂提供了指导。团队概述了NiFe基电催化剂的最新进展，包括NiFe合金、NiFe基(氧/层状)氢氧化物和氧化物、NiFe基碳化物和氮化物以及金属有机框架(MOFs)。除此之外，还总结了镍铁基电催化剂稳定性面临的挑战，包括铁偏析、结构劣化和衬底剥落。尽管在追求稳定性优化的过程中解决这些挑战很重要，但解决方案仍然难以捉摸。针对当前的问题和前景，提供了解决方案与策略，以将实验室的研究与实际工业应用联系起来。这一综述对碱性环境中析氧反应电催化剂的设计提供指导，特别强调长期稳定的电催化剂的设计策略。最终目标是实现商用镍铁基电催化剂的广泛应用。该成果以“Stability challenges and opportunities of NiFe-based electrocatalysts for oxygen evolution reaction in alkaline media”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、概述了NiFe基电催化剂的最新进展，包括NiFe合金、NiFe基(氧/层状)氢氧化物和氧化物、NiFe基碳化物和氮化物以及金属有机框架(MOFs)。

2、总结了镍铁基电催化剂稳定性面临的挑战，包括铁偏析、结构劣化和衬底剥落等。

3、针对目前面临的挑战，提供了解决方案与策略，以将实验室的研究与实际工业应用联系起来。

4、对NiFe催化剂的未来的发展所将面临的机遇以及发展方向进行了讨论与展望。

本文要点

要点1：概述了NiFe基电催化剂的最新进展

要点2：总结了镍铁基电催化剂稳定性面临的挑战

要点3：解决方案与设计策略

要点4：机遇与展望

图1 碱性环境中镍铁基电催化剂析氧反应稳定性的挑战与机遇的概述图

本文小结

该综述系统地总结了NiFe基催化剂在碱性水分解析氧反应下的稳定性挑战和机遇。首先，概述了各种NiFe基催化剂材料。而后介绍了NiFe基催化剂材料在碱性环境下其失效的机理，包括铁偏析，结构退化和从基底上脱离等。针对这些失效原因，系统总结了目前提高NiFe基电催化剂OER稳定性的策略，并讨论了在未来促进碱性水电解稳定性研究的方向和机遇。该篇文章填补了在碱性环境下提高其OER稳定性的空白，为实现大规模商业化应用提供了指导。

作者介绍

第一作者：韩羽君

天津大学材料科学与工程学院博士研究生，导师胡文彬教授、邓意达教授。目前已在Mater. Today Energy等期刊发表论文8篇，其中一作论文4篇；申请国家发明专利6项，其中获国家发明专利授权5项。

共一作者：王敬祎

天津大学材料科学与工程学院本科生。目前已经发表论文1篇。

通讯作者：李纪红

海南大学材料科学与工程学院副教授。目前以第一或通讯作者身份在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Electrochem. Energy Rev., Appl. Catal. B, J. Mater. Chem. A, Mater. Today Energy等期刊发表论文9篇，总影响因子大于100，获国家发明专利授权2项。

通讯作者：邓意达

海南大学材料科学与工程学院教授。目前累计发表SCI论文160余篇，他引6000余次，ESI高被引论文13篇。近5年以通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等材料领域高水平期刊发表SCI论文50余篇，以第一发明人申请国家发明专利19项，已获授权6项，转让专利1项，合作出版中英文学术著作2部。