氫氣是一種高密度的能量載體和重要的化工原料，耦合可再生能源發電的電解水是一種可持續發展的制氫方法，當前電解水的效率主要受限于其陽極析氧反應（OER）較高的過電勢。為了提高電解水的效率，需要使用電催化劑降低OER的過電勢。利用腐蝕法在泡沫鐵上制備的自支撐鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFe-LDH@IF）因其良好的OER電催化性能被認為是最具有應用前景的OER電催化劑之一。然而目前NiFe-LDH@IF的生長機制還不清楚，而且不同腐蝕條件對NiFe-LDH@IF電催化性能的影響還不甚了解。這些認知的缺乏嚴重阻礙了NiFe-LDH@IF的發展和應用。

本研究通過系統的實驗，首次揭示了NiFe-LDH@IF完整的生長機制。NiFe-LDH@IF的制備方法如圖1所示，将泡沫鐵浸泡在NiSO₄溶液中靜置一段時間就能得到NiFe-LDH@IF。在浸泡過程中，Ni²⁺離子與鐵會發生置換反應從而在泡沫鐵表面生成鎳鐵合金。鎳鐵合金與泡沫鐵組成了腐蝕原電池，其中泡沫鐵作為陽極發生氧化反應生成Fe²⁺離子，部分Fe²⁺離子會被溶解氧氧化為Fe³⁺離子。而在NiFe合金陰極表面主要發生Ni²⁺, H⁺, O₂的還原反應，H⁺的消耗以及OH^-的産生導緻NiFe合金陰極表面的局域pH值較高，有利于金屬氫氧化物的沉積從而形成Fe²⁺離子摻雜的NiFe-LDH（圖2）。

圖1.NiFe-LDH@IF的生長過程示意圖

圖2.NiFe-LDH@IF的生長機制示意圖

随着腐蝕時間的延長，NiSO₄溶液中的Fe²⁺與Ni²⁺離子濃度比值（c(Fe²⁺)/c(Ni²⁺)）逐漸增加，因此NiFe-LDH納米片的尺寸以及Fe²⁺摻雜濃度沿着生長方向也在逐漸增加（圖3），Fe²⁺摻雜能夠在低電位下穩定高活性位點Fe⁴⁺從而提高NiFe-LDH@IF的表觀活性。當腐蝕時間超過某一臨界值導緻溶液中c(Fe²⁺)/c(Ni²⁺)大于8.89%時，除了NiFe-LDH之外，FeOOH也會發生沉積。FeOOH的本征活性低于NiFe-LDH，此外FeOOH還會覆蓋NiFe-LDH的活性位點從而導緻NiFe-LDH@IF的表觀活性降低。随着NiSO₄溶液濃度的降低，NiSO₄溶液中c(Fe²⁺)/c(Ni²⁺)逐漸增加，一方面NiFe-LDH中的Fe²⁺摻雜濃度增加有利于提高NiFe-LDH@IF的表觀活性，另一方面較大的c(Fe²⁺)/c(Ni²⁺)有利于FeOOH的生長從而導緻NiFe-LDH@IF的表觀活性降低。

為了提高NiFe-LDH@IF的表觀活性，一方面需要促進NiFe-LDH的生長并提高其中Fe²⁺摻雜濃度，另一方面需要抑制FeOOH的生長，因此腐蝕時間和NiSO₄溶液濃度均要适當，不能太高也不能太低。本研究探索出的最佳的NiSO₄溶液濃度為200 mmol L^-1，最佳腐蝕時間為72小時。優化腐蝕條件制備的NiFe-LDH@IF與文獻中報道的其他高性能OER催化劑相比具有更低的過電勢和更小的塔菲爾斜率。此外它還表現出了優異的電催化穩定性，在100mAcm^-2的電流密度下能夠穩定運行192h，穩定性測試前後的NiFe-LDH納米片的形貌幾乎沒有變化（圖4）。

圖3.NiFe-LDH@IF中NiFe-LDH納米片沿生長方向的尺寸與Fe²⁺摻雜濃度變化

圖4.NiFe-LDH@IF的電催化活性與穩定性測試結果

11月23日，上述研究工作以《生長于腐蝕原電池陰極上的鎳鐵層狀雙氫氧化物用于析氧反應電催化》（NiFeLayered Double Hydroxides Grown onaCorrosion-Cell Cathode for Oxygen Evolution Electrocatalysis）為題，在線發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊。beat3652019級博士生趙威為本論文的第一作者，邵洋副研究員為論文的通訊作者。清華大學陳娜副研究員、姚可夫教授、沈洋教授，華中科技大學龔攀副教授為本研究提供了重要幫助。本研究得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的經費支持。

論文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102372?af=R