非晶与纳米晶交织：FeNi基合金纤维在OER催化中的全新应用

第一作者：李博

通讯作者：姜思达*，陈俊翔*，宁志良*

单位：哈尔滨工业大学

水电解制氢是大规模绿氢生产最有前景的途径，但效率低下的析氧反应（OER）及其昂贵的贵金属基催化剂（如IrO₂和RuO₂）严重阻碍了电解水制氢的工业应用。近年来，非晶合金在OER催化领域受到了广泛关注。由于其无序的原子结构和极高的自由能态，非晶合金具有优异的力学性能、极高的耐腐蚀性和良好的电催化活性，在电解水催化剂领域中具有良好的应用前景。然而，非晶态合金的催化活性和稳定性往往不如贵金属基催化剂，并且具有无序结构的非晶合金很难像晶体材料一样通过引入化学异质性和晶格缺陷来提高其催化性能。本文提出了一种通过在非晶合金中引入不同尺寸纳米晶来调控纳米晶/非晶(N/A)界面从而优化其OER催化性能的方法。基于该方法获得的N/A合金纤维得到了大量具有松散的原子排列、有利的表面电子结构、有利的局部配位和最佳的含氧中间产物吸附能的N/A界面，表现出了优异的OER活性和超高稳定性。

近日，来自哈尔滨工业大学的姜思达副教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Tailoring Nanocrystalline/Amorphous Interfaces to Enhance Oxygen Evolution Reaction Performance for FeNi-based Alloy Fibers”的研究文章。该论文了提出一种通过改变纳米晶尺寸来调控纳米晶/非晶(N/A)界面从而优化纳米晶/非晶合金纤维OER催化性能的方法；基于这种方法得到的合金纤维具有优异的活性和极高的稳定性，其过电位为227 mV@10 mA cm^-2，并能在500 mA cm^-2的工业电流密度下稳定工作1000小时。

首先，作者利用简单的密度泛函理论（DFT）计算对N/A界面对非晶合金OER性能的影响进行了预测。结果表明：在非晶合金中引入N/A界面可以提高OER催化性能，并且可以通过调节纳米晶的尺寸来进一步优化N/A的结构，进而提高其OER活性。然后，根据理论计算结果，利用溶体抽拉法，通过调节合金熔体在凝固过程中的冷却速率制备了微米级Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈非晶合金和不同晶粒尺寸的N/A合金纤维，并对其进行了深入的微观结构表征。

当纳米晶尺寸为3 nm时，Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈合金纤维电极在1 M KOH碱性环境中具有优异的催化活性和极高的稳定性：10 mA cm^-2的电流密度下的过电位低至227 mV，并且能够在1.63 V、1.85 V和2.01 V的低电位下分别达到500、1000和1800 mA cm^-2工业级高电流密度，并在1000、600和240小时内保持稳定。说明本文章设计的纳米晶/非晶合金微丝OER催化剂具有极高的工业应用前景。

DFT计算表明，在非晶合金基体中引入纳米晶体可以产生OER催化活性N/A界面，并且能够通过改变晶体尺寸可以改变N/A界面特性，得到松散的原子排列、有利的表面电子结构、有利的局部配位和最佳的含氧中间产物吸附特性的N/A界面，从而表现出优异的OER活性和超高稳定性。

Tailoring Nanocrystalline/Amorphous Interfaces to Enhance Oxygen Evolution Reaction Performance for FeNi-based Alloy Fibers