高效的非贵金属电催化剂对推动水分解中的析氧反应（OER）至关重要。

2025年8月14日，武汉纺织大学包海峰、姚娜、吉林大学崔小强在国际知名期刊Energy & Environmental Science发表题为《High-Index Facets NiFeB@H-NiFeBO Core-shell Nanowires for Highly Efficient Oxygen Evolution Reaction in Water Splitting》的研究论文，Xing Wang为论文第一作者，包海峰、姚娜、崔小强为论文共同通讯作者。

在本文中，作者开发了一种新型纳米线催化剂，其结构由沿高指数晶面（HIF）生长的NiFe硼酸盐外壳包裹NiFe-硼化物（NiFeB）内核组成，记为NiFeB@H-NiFeBO。

原位/非原位实验与理论计算表明，NiFeB核的存在降低了H-NiFeBO外壳中HIF的表面能，促进其沿HIF定向生长，并通过强化晶格氧氧化机制（LOM）显著提升OER活性。

此外，NiFeB核能稳定LOM路径中的*OO-Vo中间体，增强NiFeB@H-NiFeBO的可逆性并防止结构坍塌，从而显著改善OER的长期稳定性。

所制备的NiFeB@H-NiFeBO催化剂展现出卓越的OER性能，在100 mA cm^-2电流密度下过电位仅为212 mV。

在阴离子交换膜水电解槽中，优化后的催化剂在80 ℃、1 A cm^-2条件下连续运行1000 h仅需1.52 V工作电压。

该研究为工业级水分解应用的高效电催化剂设计开辟了新途径。

图1 物相与形貌表征。(a) NiFeB@H-NiFeBO与NiFeBO的XRD谱图；NiFeB@H-NiFeBO的表征：(b) SEM图像；(c-d) TEM图像；(e) HRTEM图像；(f-g) HAADF-STEM图像；(h) HAADF-STEM元素分布图。

图2 电子结构表征。(a) Ni K边XANES谱；(b) Ni箔、NiO、NiFeB@H-NiFeBO和NiFeBO中Ni氧化态计算结果；(c) Ni箔、NiO、NiFeB@H-NiFeBO和NiFeBO的FT-EXAFS谱；(d) NiFeB@H-NiFeBO的FT-EXAFS实验数据与拟合结果；(e) Ni箔、NiO、NiFeB@H-NiFeBO和NiFeBO的Ni K边EXAFS小波变换；(f) Ni 2p XPS谱；(g) B 1s XPS谱。

图3 NiFeB@H-NiFeBO与NiFeBO的OER活性。(a) 1 M KOH溶液中的LSV曲线；(b) NiFeB@H-NiFeBO和NiFeBO在100和1000 mA cm^-2电流密度下的过电位比较；(c) NiFeB@H-NiFeBO在100 mA cm^-2电流密度下的过电位与近期报道的碱性电解质中过渡金属基OER电催化剂对比；(d) 根据LSV曲线得到的相应Tafel斜率；(e) 不同电流密度范围内催化剂的R_η/j值；(f) 通过1.20-1.60 V电位区间EIS图谱拟合获得的电荷转移电阻(R_ct)；(g) 1.20-1.60 V电位区间NiFeB@H-NiFeBO和NiFeBO的相峰角变化汇总；(h) NiFeB@H-NiFeBO在1.20 V至1.50 V(回扫至1.24 V)施加电位下的电位依赖性紫外-可见光谱；(i) NiFeBO在1.20 V至1.54 V(回扫至1.24 V)施加电位下的电位依赖性紫外-可见光谱。

图4 OER机理分析。(a) NiFeB@H-NiFeBO和(b) NiFeBO在添加/不添加TMA⁺条件下的LSV曲线；(c) NiFeB@H-NiFeBO和(d) NiFeBO在不同pH值下的LSV曲线；(e) NiFeB@H-NiFeBO在1.45 V和1.50 V以及(f) NiFeBO在1.5 V和1.55 V下不同pH值对应的log(j)关系；(g) ³²O₂、³⁴O₂和³⁶O₂的DEMS信号随时间变化；(h) LSV测试过程中³⁴O₂和³⁶O₂的DEMS信号；(i) NiFeB@H-NiFeBO和NiFeBO在1.1-1.7 V （vs. RHE）电位范围内的原位FTIR光谱。

图5 DFT理论计算。(a) NiFeB@H-NiFeBO (201)/(200)与NiFeB@L-NiFeBO (101)/(100)的Ni-d轨道投影态密度(PDOS)计算结果；(b) NiFeB@H-NiFeBO (201)/(200)与NiFeB@L-NiFeBO (101)/(100)的O-p轨道投影态密度计算结果；(c) 从低指数晶面到高指数晶面的能带结构变化（NiFeB@H-NiFeBO高活性原因）；(d-e) *OO-Vo-NiFeB@H-NiFeBO与*OO-Vo-H-NiFeBO的晶体轨道哈密顿布居(COHP)分析；(f) *OO-Vo-H-NiFeBO (201)和*OO-Vo-NiFeB@H-NiFeBO (201)的差分电荷密度；(g) OER过程中NiFeB@H-NiFeBO与H-NiFeBO动态电子转移示意图（NiFeB@H-NiFeBO高稳定性原因）；(h) NiFeB@H-NiFeBO、H-NiFeBO和NiFeB@L-NiFeBO通过AEM或LOM路径进行OER反应的吉布斯自由能变化。

图6 阴离子交换膜水电解器性能。(a) AEM电解槽结构示意图；(b) 使用NiFeB@H-NiFeBO||Pt/C与商用RuO₂||Pt/C在25℃、1 M KOH中的极化曲线对比；(c) NiFeB@H-NiFeBO||Pt/C在25、40、60及80 ℃、1 M KOH中的温度依赖性极化曲线；(d) NiFeB@H-NiFeBO||Pt/C与商用RuO2||Pt/C在碱性AEM电解槽中1 A cm^-2条件下的计时电位测试；(e) NiFeB@H-NiFeBO||Pt-C电解槽在1 A cm^-2下的槽电压与已报道过渡金属基催化剂的性能对比；(f) NiFeB@H-NiFeBO、NiFeBO和RuO₂在1.0 M KOH、1.0 M KOH + 0.5 M NaCl及1.0 M KOH +海水体系中的LSV曲线；(g) NiFeB@H-NiFeBO在1.0 M KOH、1.0 M KOH + 0.5 M NaCl及1.0 M KOH +海水体系中达到100、200、500和1000 mA cm^-2所需的过电位；(h) NiFeB@H-NiFeBO在碱性海水环境中10 mA cm^-2下的计时电流测试；(i) NiFeB@H-NiFeBO||Pt/C在碱性海水中的极化曲线（插图：碱性海水AEM电解槽中1 A cm^-2条件下的计时电流测试）。

总之，作者开发了一种简单高效的一步式硼氢化物快速还原法，用于合成具有可控高指数晶面生长的NiFeB@H-NiFeBO核壳纳米线。

NiFeB核的引入显著降低了H-NiFeBO的表面能，从而促进H-NiFeBO外壳沿高指数晶面生长。这种独特的结构设计使析氧反应能够通过晶格氧氧化机制进行。

重要的是，NiFeB核能有效分散LOM路径中VO物种积累的电子，这种电子分散作用增强了*OO-Vo中间体的稳定性，提高了NiFeB@H-NiFeBO结构的可逆性，从而防止结构坍塌，最终增强了LOM路径的OER催化稳定性。

所开发的NiFeB@H-NiFeBO表现出更高的本征活性，以及优异的稳定性，在100 mA cm^-2的OER电流密度下过电位仅为212 mV。

此外，当用作阴离子交换膜水电解器的阳极催化剂时，NiFeB@H-NiFeBO纳米线表现出卓越的性能，在80 ℃下仅需1.52 V的槽电压即可实现1 A cm^-2的电流密度，并能保持1000 h以上的长期稳定性。

配备NiFeB@H-NiFeBO催化剂的海水AEM电解器也展现出高效的海水分解活性，在25 ℃下以1.85 V的槽电压实现1 A cm^-2的电流密度，并能在1 A cm^-2的电流密度下稳定运行超过300 h。

该研究为碱性交换膜水电解（AEMWE）用高活性、长寿命析氧电极的商业化开发提供了重要见解和潜在方向。

High-Index Facets NiFeB@H-NiFeBO Core-shell Nanowires for Highly Efficient Oxygen Evolution Reaction in Water Splitting. Energy Environ. Sci., 2025. https://doi.org/10.1039/D5EE00859J.