长春应化所邢巍/扬大冯立纲：镍基层状双氢氧化物用于高效析氧的研究进展

电解水技术能够将间歇可用的风电、水电、太阳能等可再生资源转换为具有较高经济效益的氢气，满足了人们对绿色能源的要求，受到了广泛关注。然而，电解水制氢技术距离大规模的商业化还存在着一定的差距，它在反应过程中需要消耗大量的电能且反应效率亟待提高，尤其是作为电解水半反应之一的析氧反应，它是一个由四电子四质子参与的复杂过程，动力学缓慢，过电位高，大大提高了电解水的耗能，严重影响了电解水制氢的整体效率。为了有效地提高电解水制氢的效率，亟需开发催化性能优异、稳定性好的析氧反应催化剂来促进反应的进行，据报道，IrO2，RuO2等贵金属材料是当前析氧催化性能最为优异的一类催化剂材料，但是它们的成本高昂，存量稀少，阻碍了其商业化的发展。镍基层状双氢氧化物(LDH)作为一种新型的二维纳米材料，结构独特，价格低廉，展现出了优异的OER催化性能，其独特的电子结构和易于修饰的表面使其在电催化析氧领域具有广泛的应用前景。基于此，中科院长春应化所邢巍研究员和扬州大学化学化工学院冯立纲教授综述了镍基层状双氢氧化物用于高效析氧的最新研究进展，相关研究成果在Materials Today Physics (Ni-basedlayered double hydroxide catalysts for oxygen evolution reaction. doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100292) 期刊上发表。

图1.镍基层状双氢氧化物的分类

文章首先阐述了镍基LDHs的形成机理以及OER的反应机制，从镍基LDHs的形成机理中发现将三价离子引入二价氢氧化物催化体系对于形成LDHs至关重要，通过调节碱源的配体，金属阳离子的类型，pH值等因素也能直接影响LDHs的形成，从而影响其OER催化活性。同时，通过对OER反应机制的理解，能够更有利地指导我们合成具有最佳ΔGHOO*-ΔGO*值的催化剂，从而有效降低过电位，提高OER性能。

图2. (a) 镍基LDHs的OER反应机理; (b) OER的标准自由能图;(c)ΔGOH*和ΔGOOH*之间的比例关系; (d)-ηOER和ΔGHOO*-ΔGO*之间的火山曲线关系

接着文章总结了镍基LDHs的主要合成策略(如溶剂热法，共沉淀法，电化学沉积法，阴离子交换嵌入法等)以及先进的原位表征技术(如X射线吸收光谱法(XAS)，差分电化学质谱法(DEMS)，Mӧssbauer光谱法，紫外可见光谱法等)，为Ni基LDHs的结构与性能之间的关系提供了有价值的见解。原位表征通过监测反应中间体和金属化合价的变化大大促进了镍基LDHs的发展，未来镍基LDH的巨大飞跃仍然依赖于原位表征技术，并且有望实施新的原位表征技术以更好地促进OER电催化剂的开发。

图3.(a)原位GID装置的照片；(b, c)原位广角X射线散射WAXS测量NiFe LDHs层间距和层内距离的演变; (d)差分电化学质谱法(DEMS)和(e)原位紫外-可见光谱电化学测量Ni45Fe55(OOH); (f)O K边和(g) Ni L边原位X射线吸收光谱; (h)NiFe LDH的Mӧssbauer光谱

最后文章介绍了近年来镍基LDHs的结构调整与性能优化的策略，如剥离、层组成调整、层间距调整以及与其他材料的复合等，并针对镍基LDHs在实际应用中存在的问题，提出了设计兼具高活性高稳定性的镍基LDHs仍面临的挑战。本文有助于读者了解近年来镍基层状双氢氧化物(LDHs)在析氧催化领域的最新研究动态，并对其结构调控策略和催化机理有更深刻的见解，进一步促进电解水的大规模商业化应用。