Nature Mater：将铁镍基合金作为碱性介质中的高活性、低成本析氧反应催化剂

一、【科学背景】

全球变暖需要可再生电力，理想情况下，通过水电解产生的氢可以有效地储存。在水电解槽中发生的慢动力学析氧反应(OER)会导致运行效率降低和高电池电压。虽然IrO₂通常被用作参考OER电催化剂，但必须开发出更可持续、活性、稳定和富含地球元素的催化剂。NiFe基氢氧化物(Ni1-xFexOOH)可用于碱性水电解槽;但Ni1-xFexOOH中活性位点的性质仍然存在争议。一般来说，镍铁基氢氧化物在析氧反应中具有高活性，但需要复杂工艺进行合成，并且当沉积在外部载体上时耐久性较差。怎么获得成本低廉，工艺简单的Fe-Ni合金析氧电极，一直是国内外研究的难点。

二、【科学贡献】

本工作证明了易于加工、廉价的Fe-Ni合金会自发地形成高活性的NiFe氧-氢氧化物表面，在电化学激活下溶解。虽然合金的制造工艺和初始表面状态对析氧反应性能没有影响，但NiFe表面层的生长/组成取决于合金元素和初始原子Fe/Ni比，当Fe/Ni比在0.2 ~0.4之间时，析氧反应性能最佳，且具有大量活性位点和高效率。这一发现为碱性水电解槽的Fe-Ni合金析氧电极奠定了基础。相关成果以“Fe–Ni-based alloys as highly active and low-cost oxygen evolution reaction catalyst in alkaline media”为题发表在国际著名期刊Nature Materials上。

图1 0.1 M KOH, 25℃条件下OER性能的电化学表征。a，抛光后不同合金的CV扫描；b，从图1a中提取的Ni III /Ni II还原峰电位，作为扫描电子显微镜(SEM)和EDS测定的初始Fe含量的函数；c - e，抛光(c)，时效(d)和激活(e)后导线和板的OER电位；f、抛光、时效和活化后各级Ni III /Ni II反应能力的演变；g、Ni活性位点性能的演化；h，电流密度为10ma cm⁻²时的OER电位。©2024 Springer Nature

图2 Ni/Fe活性表面层微观结构表征。a - d四个样品的TEM图像:W-316L (a)， W-825 (b)， W-718 (c)和W-625 (d)；每张图像右侧的蓝色区域勾勒出活性表面层；e, P-625和P-825抛光后和活化后的GI-XRD分析；f,g，活性表层中的衍射图，表明其具有良好结晶结构(f)和纳米晶结构(g)；h，通过将衍射图与奥氏体相和NiO立方结构进行比较而生成的ASTAR相图; i, ASTAR晶体取向图. ©2024 Springer Nature

图3 TEM-EDS分析；活化样品的化学成分谱。负深度对应于体积，而正深度对应于活性表面层。©2024 Springer Nature

图4  Ni、Fe和Cr峰的XPS光谱反褶积。a - c为W-718的XPS分析:Ni₂p (a)、Fe₂p (b)和Cr₂p (c)；d - f为W-625的XPS分析:Ni₂p (d)、Fe₃p (e)和Cr₂p (f)。©2024 Springer Nature

图5 活性表面层化学成分对关键电化学参数的影响；a，镍III /镍II还原峰电位与铁含量(at.%)的函数关系，由XPS测定的原子铁/镍比确定。为了计算铁的原子百分率，我们考虑一种只含铁和镍的合金；b, Ni活性位点活性随表面层原子Fe/Ni比的函数。c, OER性能与氧化层化学成分的相关性。OER电位(在5 mA cm^-2时)显示为XPS测量的原子Fe/Ni比的函数。©2024 Springer Nature

三、【创新点】

1.发现了析氧反应性能最佳的Fe/Ni原子质量比；

2.创造性的提出了利用Fe–Ni基合金作为高活性、低成本的碱性电解质催剂；

四、【科学启迪】

无论初始合金的铁和镍含量如何，在施加交变电位(在与可再生电力耦合的水电解槽上进行)时，都可以很容易地获得显着的OER活性(优于商用IrO₂)和合理的耐久性。这一创新成果不仅为低成本、高活性碱性电解质的开发提供了思路，还促进了氢能源的可持续应用。

论文详情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01744-5

本文由虚谷纳物供稿。