林健健教授， CEJ：协同促进稳定OER反应的六边形CeO2纳米片负载NiFe合金

氢气作为一种可再生且清洁的能源载体，因其资源丰富、燃烧热值高、无温室气体排放等优点，被视为实现能源转换和碳中和的理想物质。在众多制氢技术中，基于可再生能源的电解水制氢技术因其清洁、可持续和环保特性，被公认为最具发展前景的绿色制氢方案。在碱性介质中OER反应因具有四个电子的耦合从而导致动力学过程较缓慢。因此研究人员致力于开发高效、稳定且丰富的OER电催化剂。在这一背景下，由于价格低廉、储量丰富且催化活性优异，镍铁合金电催化剂在众多过渡金属基电催化剂中脱颖而出。同时二氧化铈六边形纳米片为NiFe合金纳米颗粒提供了稳定的催化剂支撑载体，从而使其具有优异的稳定性和催化活性。

近日，来自青岛科技大学的林健健教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Hexagonal CeO₂ nanoplates loaded with NiFe alloy: A synergistic boost for stable oxygen evolution reaction”的观点文章，通过简单溶剂热法实现了二氧化铈纳米片负载NiFe合金纳米颗粒催化剂。CeO2纳米片载体为NiFe纳米合金提供了丰富的锚定点，有效防止了NiFe纳米颗粒的聚集和迁移。此外，NiFe合金促进了可逆的Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原循环，协同促进了催化剂的活性。这项工作不仅为设计高性能OER催化剂提供了宝贵见解，同时对可持续水分解和可再生能源技术的发展做出了贡献。

根据图二所示，合成的电催化剂结构通过X射线衍射（XRD）方法进行了分析，衍射峰对应于CeO₂的晶面（PDF#34-0394）。NiFe/CeO₂的XRD图谱显示，其峰位介于Ni（PDF#04-0805）和Fe（PDF#88-2324）的面心立方（面心立方）晶格之间，表明形成了NiFe合金相。未负载前，氧化铈呈现为直径约为2 μm的六边形纳米片结构，表面光滑均匀，而负载后在纳米片上形成了颗粒状的NiFe纳米合金。透射电子显微镜显示，六边形结构的氧化铈纳米板在负载后仍保持其结构完整性，表面的球形纳米颗粒的尺寸分布控制在5-15 μm之间，形成的不规则表面为催化剂提供了更大的比表面积和更多的活性位点。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示，NiFe/CeO₂中的晶格条纹间距为0.191纳米，对应于氧化铈的（220）平面。此外，催化剂边缘处的0.176纳米晶格间距更清晰地显示为NiFe合金的（200）晶格平面。能量色散光谱（EDS）显示，Ce、O、Ni和Fe元素在催化剂中均匀分布且稳定存在。这些分析结果共同证明了在我们的氧化铈纳米板上成功制备了NiFe合金纳米颗粒。

图2的EPR信号可以看出，NiFe/CeO₂在g≈2.003时的EPR信号比CeO₂强，这进一步证实了NiFe/CeO2中的氧空位浓度高于CeO₂。XPS谱图可以看出反应过程中发生了价态变化，促进了氧的吸附和转移。镍金属(Ni0）峰作为电子供体参与氢化反应。Fe 2p谱图中存在Fe²⁺和Fe³⁺的衍射峰，零价峰的存在表明Fe以金属状态存在，零价峰的存在进一步表明合成的NiFe以合金形式存在。在NiFe纳米合金中，两者都能通过金属-氧协同作用高效地储存和释放氧气，从而增强催化剂的稳定性和活性。

在碱性条件下（1 M KOH），对NiFe/CeO₂进行了一系列电化学性能测试。结果表明，当电流密度达到10 mA cm^-2时，仅需要198 mV的低过电位。同时NiFe/CeO₂的Tafel斜率为48.6mV dec^-1，展现出优异的电化学活性，它的EIS图谱也印证了这一点。同时在进行了1000次循环伏安测试后发现性能没有明显的下降，120 h的稳定性测试后发现目标催化剂拥有着良好的稳定性。

林健健，青岛科技大学教授，博士生导师，山东省“泰山学者”青年专家，“青岛市巾帼科研之星”。2015年9月毕业于University of Wollongong, Australia（澳大利亚伍伦贡大学）取得博士学位，师从窦世学院士和Jung Ho Kim教授。荣获2015年“国家优秀自费留学生奖学金”（全球前500名）。