等离子体合成NiFe层状双氢氧化物/非晶MoWSx：氢溢流与空位工程的协同效应助力高效高电流密度全水分解

为解决工业级电流密度下全水分解(OWS)催化剂过电位高、贵金属依赖性强等关键问题，研究人员创新性地通过等离子体技术构建了三维氮掺杂石墨烯/NiFe层状双氢氧化物/钨掺杂非晶钼硫化物(3D-NG/NiFe-LDHs/a-MoWSx)异质结构催化剂。该研究通过氢溢流(HSo)效应与空位工程的协同作用，在1000 mA cm-2电流密度下分别实现OER和HER仅需303 mV和546 mV过电位，组装的全电池性能优于贵金属催化剂，为绿色制氢提供了高效稳定的非贵金属催化剂解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而当前约95%的氢能生产仍依赖化石燃料，电解水制氢技术虽前景广阔，却面临贵金属催化剂成本高昂、工业级电流密度下过电位过高等核心瓶颈。特别是在500-1000 mA cm^-2的工业运行条件下，传统镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDHs)催化剂的性能急剧衰减，这严重制约了电解水制氢技术的大规模应用。

针对这一挑战，东华大学物理学院的研究团队在《Materials Today Advances》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将等离子体合成技术与界面工程相结合，开发出具有三维多孔结构的氮掺杂石墨烯/NiFe-LDHs/非晶钼钨硫化物(3D-NG/NiFe-LDHs/a-MoWS_x)异质结构催化剂，通过氢溢流(HSo)与空位工程的协同效应，实现了工业级电流密度下的高效全水分解。

研究团队采用紫外/臭氧预处理结合水热法构建三维石墨烯网络，通过金属离子交联形成多孔结构；随后利用氩气/氨气等离子体处理同步实现非晶MoWS_x的原位合成与空位引入。通过调控等离子体处理时间(5-15分钟)优化缺陷密度，结合XPS、EPR和AC-STEM等表征手段证实了铁空位和氧空位的形成。电化学测试采用标准三电极体系，在1.0 M KOH电解液中评估OER/HER性能，并通过DFT计算揭示了催化机制。

结构表征结果显示，60分钟紫外/臭氧预处理形成的三维结构具有最大比表面积(57.2→214.3 m² g^-1)，XPS分析证实等离子体处理使Ni³⁺/Ni²⁺比例提高，EPR测试显示氧空位信号增强。AC-STEM直接观测到原子空位，其中最优化的V_1Fe+2OH^-空位构型显著提升了催化活性。

电化学性能方面，优化后的3D-NG₆₀/NiFe-LDHs/a-MoWS_x(10)在1000 mA cm^-2电流密度下，OER和HER过电位分别仅为303 mV和546 mV，Tafel斜率低至26.6和108.9 mV dec^-1。组装的对称全电池仅需2.085 V电压即可驱动1000 mA cm^-2的工业级电流密度，优于商业Pt/C||RuO₂体系(2.380 V)，且在100小时稳定性测试中性能无衰减。

理论计算揭示了性能提升的微观机制：异质结构内部极化场(IPF)驱动氢原子从MoWS_x的2S^2-位点向LDHs迁移(HSo效应)，使ΔG_H*接近理想值(0 eV)；同时V_1Fe+2OH^-空位暴露镍的3d轨道，将OER能垒从2.3 eV降至1.0 eV。电子注入模拟高电流密度条件时，HSo能垒进一步降低，印证了催化剂在大电流下的卓越表现。

这项研究通过巧妙的材料设计和精准的缺陷调控，实现了非贵金属催化剂在工业级电流密度下的突破性性能。其创新点在于：首次将等离子体合成技术应用于LDHs空位工程，构建了具有明确构效关系的V_1Fe+2OH^-活性位点；通过异质结构内建电场实现了高效的氢溢流效应；三维多孔结构保障了高电流密度下的传质效率。该工作不仅为电解水制氢提供了高性能低成本催化剂解决方案，更为空位工程与界面效应的协同优化提供了普适性设计策略，对推进绿氢产业化具有重要指导意义。