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浙师大高学会博士，Appl. Catal.B.最新观点：核壳异质结中定向界面偶极工程助力析氧反应性能提升

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2026-01-28

导读：浙师大高学会博士， Appl. Catal., B最新观点：核壳异质结中定向界面偶极工程助力析氧反应性能提升

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文章信息

核壳异质结中定向界面偶极工程助力析氧反应性能提升

第一作者：黄安琪

通讯作者：高学会*

单位：浙江师范大学

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研究背景

电解水制氢受制于阳极析氧反应造成反应动力学缓慢。异质结构工程策略凭借其可在两相界面处构建内建电场（BIEF）的特性，已成为解决上述问题的有效手段。目前，已有研究多聚焦于增强内建电场的强度（即偶极子强度），但作为内建电场的一项核心矢量属性，电场方向的关键作用却长期被忽视。本研究提出，界面偶极子的定向调控是实现高效析氧反应（OER）催化的关键所在。其突破了以往单纯强化偶极子标量场的研究范式，创新性地提出偶极子矢量工程的设计理念，为高性能电催化剂的定向设计提供了重要的理论依据。

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文章简介

近日，来自浙江师范大学的高学会团队在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表题为“Directional interfacial dipole engineering in core-shell heterojunctions for enhanced oxygen evolution reaction”的观点文章。这项研究以镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）基核壳异质结为模型体系，通过在核相（Fe₃O₄）或壳相（NiFe-LDH）中选择性掺杂钴离子，实现了对偶极子方向与强度的精准调控。论文通讯作者为浙江师范大学高学会，第一作者为硕士研究生黄安琪。

图1. Co掺杂在不同位置对偶极子强度和方向的影响。

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本文要点

要点一：催化剂形貌结构表征

图2 (a) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的制备流程图。(b) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的SEM图像。(c) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的TEM图像。(d) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的HRTEM图像。(e) NiFe-LDH的FFT。(f) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的元素映射图像。(g) 相应的XRD图谱。

图2通过简单的水热法合成了核壳状的异质结材料。TEM和HRTEM发现该催化剂由Fe₃O₄核和NiFe-LDH壳层纳米片组成。XRD，HAADF-STEM等表征共同证明Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co异质结催化剂的成功制备。

要点二：Co的掺杂增强偶极子强度并改变电子转移方向

图3 (a) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的Mott-Schottky曲线。(b) NiFe-LDH和Fe₃O₄的带隙图。(c) NiFe-LDH/Co和Co/Fe₃O₄的带隙图。(d) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co、 Co/Fe₃O₄@NiFe-LDH、 Fe₃O₄@NiFe-LDH的KPFM图像。(e) NiFe-LDH/Co、 Fe₃O₄、 NiFe-LDH和Co/Fe₃O₄的UPS光谱。(f) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co、 Co/Fe₃O₄@NiFe-LDH、 Fe₃O₄@NiFe-LDH的表面电位和Zeta电位结果。

图3中的莫特-肖特基(M-S)曲线证实异质原子Co掺杂对半导体类型没有影响，四种组分均为n型半导体。紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱说明无论钴掺杂位点位于Fe₃O₄核还是NiFe-LDH壳，均能有效窄化材料的带隙并提升其导电性能。当两种不同功函数的材料相互接触时，功函数差值（∆WF）会驱动电子从低功函材料自发迁移至高功函材料，这一过程直接决定了界面偶极子的取向；而功函数差值的大小，则进一步决定了界面偶极子的强度。紫外光电子能谱(UPS)表明Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co和Fe₃O₄@NiFe-LDH催化剂具有同一个偶极子方向，并且Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co表现出更大的功函数差异，即具有更强的偶极子强度。而在核心中掺入Co，使其WF大幅降低，低于NiFe-LDH壳层WF。这改变了偶极子的方向，即从核心（Co/Fe₃O₄）指向壳层（NiFe-LDH）。∆WF为0.67 eV，表明偶极子强度较弱。鉴于偶极子强度（BIEF强度）与zeta电位和表面电位成正比，开尔文探针力显微镜（KPFM）和zeta电位测量提供了偶极子强度的直接实验验证。Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co具有最高的表面电位和zeta电位，这与它具有最强的界面偶极子相一致。

要点三：催化剂的价态和表面成分

图4 (a) Fe 2p，(b) Ni 2p在Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co、 Co/Fe₃O₄@NiFe-LDH、 Fe₃O₄@NiFe-LDH/和NiFe-LDH中的XPS光谱。Fe₃O₄@NiFe-LDH和Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的原位拉曼光谱(a，b)和对应等值线图(c, d)。

X射线光电子能谱(XPS)结果表明，与原始的NiFe-LDH相比，Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co中的Ni和Fe 2p峰向更高的结合能（正位移）移动，表明电子耗尽和活性位点的价态升高。这是强的壳→核定向偶极子的直接结果。相反，Co/Fe₃O₄@NiFe-LDH显示Ni 2p谱的负移，这表明由于偶极子方向相反，电子积累和价态降低。这种明显的相关性表明，偶极子方向决定了活性金属的价态。原位拉曼光谱结果表明，催化剂在OER过程中经历了表面重构，形成了有利于OER反应的高价金属羟基氧化物。

要点四：催化剂的性能分析

图5 (a) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co、 Co/Fe₃O₄@NiFe-LDH、 Fe₃O₄@NiFe-LDH和NiFe-LDH (90 %iR补偿)的LSV曲线。(b) 上述样品在电流密度为100 mA cm⁻²时的过电位。(c) 用图4(a)的LSV曲线拟合上述样品的Tafel斜率。(d) 在0.95V vs. RHE下电容电流密度(Δj/2)与扫描速率的线性拟合。(e) 相应样品的电化学阻抗图。(f) 几种代表性催化剂OER活性的比较。(g) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co在电流密度约为100 mA cm⁻²时的i-t曲线。

为探究偶极子强度与取向的耦合效应对析氧反应（OER）性能的影响，我们采用传统三电极体系，在 1.0 mol/L 氢氧化钾（KOH）溶液中对所合成的四种催化剂开展了析氧反应性能测试。结果表明，Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co展现出了优异的OER性能，在电流密度为100 mA cm⁻²时，过电位仅为254.5 mV，且塔菲尔斜率低至76.3 mV dec⁻¹，表明其在OER过程中的快速反应动力学行为。此外，长期稳定性测试表明，Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co具有优异的电化学稳定性。

要点五：理论计算

图6 (a) 理论计算模型前视图。(b) OER反应的四电子转移机理。(c) Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co, (d) Fe₃O₄@NiFe-LDH和(e) NiFe-LDH的Ni d带中心。在(f)U=0 V和(g)U=1.23 V时活性位点OER的计算自由能图。

为了更深入地了解OER机制，我们进行了DFT计算。在OER催化体系中，d波段中心理论可以有效地描述催化剂与被吸附物之间的热力学吸附能关系。Co在NiFe-LDH中的掺杂使d带中心向上移动，Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的d带中心能级最接近费米能级。这种电子结构特征增强了其对反应中间体的吸附作用，从而调节催化反应的动力学过程。此外，Fe₃O₄@NiFe-LDH/Co的RDS表现出最低的自由能垒，Fe₃O₄@NiFe-LDH的自由能垒也低于NiFe-LDH。计算证实，界面偶极子取向正确时，能有效调节电子结构，降低OH⁻的吸附能，从而提高OER的催化性能。

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文章链接

Directional interfacial dipole engineering in core-shell heterojunctions for enhanced oxygen evolution reaction

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126459

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通讯作者简介

高学会博士简介：浙江师范大学化学与材料科学学院，“双龙学者”特聘教授，硕士生导师。主要从事电催化材料和锂硫电池的相关基础研究。迄今为止，以第一/通讯作者身份在电化学及材料化学领域内学术期刊共发表学术论文40余篇，包括Angewandte Chemie International Edition，ACS Catalysis，Applied Catalysis B-Environment and Energy，Advanced Powder Materials，Carbon Energy，Chemical Engineering Journal，Small等，ESI高被引论文6篇，出版1章节英文著作，ISI检索被引用5100余次，单篇最高被引950次，授权和申请专利12项。担任多种国际一流期刊，如：Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A等的审稿人。