钌掺杂NiFe2O4/NiO异质结构催化剂的创新制备及其高效碱性析氢性能研究

针对碱性条件下贵金属催化剂析氢反应(HER)活性不足的问题，研究人员通过水热-退火法构建了钌掺杂的NiFe2O4/NiO异质结构催化剂。该材料在10 mA cm?2电流密度下仅需17 mV过电位，且组装的电解槽在1.513 V低电压下稳定运行30小时，为开发非铂高效HER催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，氢能作为零碳排放的清洁能源备受关注。然而，当前电解水制氢技术仍严重依赖昂贵的铂基催化剂，尤其在碱性环境中，传统催化剂因水分子解离动力学缓慢导致效率骤降。这一瓶颈严重制约了氢能的大规模商业化应用。

针对这一挑战，中国南昌航空大学（根据通讯作者Huaming Zhang单位推断）的研究团队创新性地设计了一种钌(Ru)掺杂的花状NiFe₂O₄/NiO异质结构催化剂。该研究通过简单的两步法——水热合成结合高温退火，在镍泡沫基底上构建了具有三维分级纳米片结构的自支撑电极。令人振奋的是，这种新型催化剂在碱性条件下展现出超越商业铂碳催化剂(Pt/C)的析氢性能，相关成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。

研究团队主要采用了三种关键技术：水热自组装法制备前驱体、离子交换法引入钌元素、以及可控退火工艺构建异质结构。通过精确调控这些参数，成功实现了催化剂形貌与电子结构的协同优化。

催化剂制备与表征
扫描电镜显示，前驱体NiFe层状双氢氧化物(NiFe LDHs)呈现相互交联的纳米片组成的层级花状结构。经过离子交换和退火处理后，材料转变为Ru-NiFe₂O₄/NiO异质结构，表面粗糙度显著增加。X射线衍射证实了NiO晶相与非晶态NiFe₂O₄的共存，X射线光电子能谱则揭示了钌掺杂引起的电子重分布现象。

电化学性能突破
在1 M KOH电解液中，优化后的催化剂表现出创纪录的HER活性：10 mA cm^?2电流密度下过电位仅17 mV，远低于20% Pt/C（35 mV）；100 mA cm^?2时过电位78 mV，塔菲尔斜率低至37.98 mV dec^?1。电化学阻抗谱显示其电荷转移电阻仅为1.2 Ω，证实了优异的电荷传输能力。

机制解析
密度泛函理论计算表明，钌掺杂不仅优化了氢吸附自由能(ΔG_H*)，更通过降低水分子解离能垒((H-OH)→H+OH*)显著加速了碱性HER的决速步。异质界面处的电子耦合效应进一步促进了电荷转移，而分级多孔结构确保了活性位点的充分暴露和气泡快速脱附。

实际应用验证
组装的Ru-NiFe₂O₄/NiO‖NiFe电解槽在淡水和海水电解中分别仅需1.513 V和1.563 V的槽压即可驱动10 mA cm^?2的电流，且连续运行30小时后性能衰减可忽略不计。这种稳定性源于非晶/晶相异质结构对腐蚀的抵抗作用，以及镍泡沫基底提供的机械支撑。

这项研究通过巧妙的"异质结构工程+贵金属掺杂"双策略，成功突破了碱性HER催化剂的性能瓶颈。所开发的材料不仅成本仅为铂基催化剂的1/3，更在活性和稳定性方面实现双重超越，为工业化电解水制氢提供了极具前景的解决方案。特别值得注意的是，该催化剂在海水电解中的优异表现，为直接利用丰富海水资源生产氢能开辟了新途径。Fu Chen、Zhihan Huang等研究者的工作，为设计新一代高效能源转换材料树立了重要范式。