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近年來(lái)，層狀雙金屬氫氧化物（LDH）由于具有可調(diào)的化學(xué)組成、優(yōu)異的電子傳遞能力、大的比表面積和孔隙率以及良好的穩(wěn)定性，使得LDH在電催化領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景并多次登上各大頂刊，特別是在海水電解方面的應(yīng)用取得了令人矚目的成果！

海水電解是一種很有前景且具有潛在成本效益的制氫方法。然而海水電解卻一直面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括高能量需求和氯化學(xué)的干擾、氯離子的腐蝕和氯進(jìn)化反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)。因此，開發(fā)具有高穩(wěn)定性和選擇性的催化劑，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的海水電解，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

本期小豐整理了4篇LDH在海水電解方面的研究進(jìn)展，一起看下吧~

Advanced Functional Materials

激活電位重合以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直接海水裂解

電化學(xué)海水裂解面臨著相互競(jìng)爭(zhēng)的析氯反應(yīng)和氯腐蝕問(wèn)題，給商業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了巨大障礙。

2025年1月7日，期刊Advanced Functional Materials報(bào)道研究人員成功合成了插層催化劑SO42-/CoFeLDH，該催化劑在堿性海水中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性。

在該項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)同時(shí)電激活硫脲和CoFe合金，將SO42-和CoFeLDH同時(shí)氧化，合成了插層SO42-/CoFeLDH。其與Pt/C||SO42-/CoFeLDH相結(jié)合的電解系統(tǒng)獲得優(yōu)異的OER性能（265.2mV@100mAcm-2）和優(yōu)異的穩(wěn)定性（1000h@500mAcm-2）。

研究發(fā)現(xiàn)，SO42-的存在提高了CoFeLDH的內(nèi)在活性，降低了CoFeLDH的腐蝕傾向。測(cè)試結(jié)果表明，CoFeLDH和SO42-是同時(shí)生成并插層到LDH層間。DFT計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)，SO42-的插層降低了Cl-的吸附傾向，從而提高了OER的選擇性。

研究人員使用Pt/C||SO42-/CoFeLDH對(duì)組裝的海水AEM電解槽在工業(yè)條件下實(shí)現(xiàn)了更高的活性（2.264V，500mAcm-2）和運(yùn)行時(shí)間（150h@500mAcm-2）。在500mAcm-2時(shí)，AEM電解槽在天然海水中的工作效率高達(dá)55%，每GGEH2的價(jià)格低至1.211美元。

該研究以硫脲輔助電解為基礎(chǔ)，提供了一種同時(shí)活化LDH和陰離子的新策略，為工業(yè)設(shè)計(jì)具有優(yōu)異催化性能和長(zhǎng)期耐久性的催化劑提供了前景。

文獻(xiàn)名稱：Taking Advantage of Activation Potential Coincidence to Unlock Stable Direct Seawater Splitting

Advanced Energy Materials

雙摻雜NiFeLDH助力高電流密度堿性O(shè)ER

新型陽(yáng)極電催化劑在大電流密度下具有高性能和成本效益，有助于推動(dòng)新興陰離子交換膜水電解槽（AEMWE）技術(shù)的發(fā)展。

2025年2月21日，期刊Advanced Energy Materials報(bào)道了一種釕（Ru）單原子和硫（S）陰離子雙摻雜的鎳鐵層狀雙氫氧化物（Ru-S-NiFeLDH）催化劑，該催化劑在高電流密度下具有顯著的低堿性析氧反應(yīng)（OER）過(guò)電位、高活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

在該項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)簡(jiǎn)便的水熱反應(yīng)合成了具有Ru單原子和S陰離子雙重?fù)诫s的NiFeLDH（Ru-S-NiFeLDH）。正如預(yù)期的那樣，在100mAcm-2和250mAcm-2的高電流密度下，制備的Ru-S-NiFeLDH的過(guò)電位分別為279mV和321mV，優(yōu)于NiFeLDH和商用RuO2。此外，Ru-S-NiFeLDH的質(zhì)量活性是RuO2的382倍，這表明它具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。

在NiFeLDH中同時(shí)加入Ru單原子和S陰離子后，其在大電流密度下的長(zhǎng)期耐久性可延長(zhǎng)至100小時(shí)以上，且無(wú)明顯的活性損失。同時(shí)，Ru-S-NiFeLDH只需提供1.92V的AEMWE電位即可達(dá)到1.0Acm-2，優(yōu)于NiFeLDH。此外，Ru-S-NiFeLDH還能在1.0Acm-2的條件下保持80小時(shí)出色的AEMWE穩(wěn)定性。

深入的機(jī)理研究表明，Ru單原子不僅是高活性位點(diǎn)，還能促進(jìn)NiFeLDH的導(dǎo)電性。同時(shí)，S陰離子加速了NiFeLDH向OER活性NiFeOOH的電化學(xué)重構(gòu)，并緩解了Ru活性位點(diǎn)的過(guò)氧化問(wèn)題。得益于此，Ru-S-NiFeLDH的OER活性和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。密度泛函理論DFT計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證了Ru單原子和S陰離子共摻雜導(dǎo)致的OER自由能差的減小。

該項(xiàng)研究為通過(guò)在三維過(guò)渡金屬基載體中同時(shí)摻雜貴金屬單原子和陰離子來(lái)設(shè)計(jì)具有高性價(jià)比、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑提供了可行指導(dǎo)。

文獻(xiàn)名稱：Ru Single Atoms and Sulfur Anions Dual‐Doped NiFe Layered Double Hydroxides for High‐Current‐Density Alkaline Oxygen Evolution Reaction

Advanced Materials

氧缺陷NiFe-LDH擔(dān)載負(fù)價(jià)態(tài)Pt增強(qiáng)HER

負(fù)電荷Pt的獨(dú)特氫吸附特點(diǎn)在增強(qiáng)電催化HER反應(yīng)中起到關(guān)鍵作用。但是原子分散Pt位點(diǎn)通常通過(guò)非金屬鍵與載體結(jié)合，導(dǎo)致Pt處于高氧化態(tài)，削弱其對(duì)氫中間體（H*）的吸附/脫附能力，反而降低HER性能。

2025年3月11日 ，期刊Advanced Materials報(bào)道研究人員提出了一種新型催化劑設(shè)計(jì)思路：將Pt原子通過(guò)Pt-Ni電子橋錨定在含氧缺陷的鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFe-LDH）上，從而有效降低鉑的價(jià)態(tài)，改善了其對(duì)氫的吸附能力。

研究發(fā)現(xiàn)，Pt和NiFe-LDH之間的電子轉(zhuǎn)移主要通過(guò)Pt-Ni化學(xué)鍵而不是Pt-O化學(xué)鍵。NiFe-LDH的氧缺陷促進(jìn)更多的電子從Ni轉(zhuǎn)移到Pt，因此降低Pt的價(jià)態(tài)，增強(qiáng)產(chǎn)氫性能。與此同時(shí)，Ni的價(jià)態(tài)提高，導(dǎo)致催化劑的親水性增加,進(jìn)而降低了水解反應(yīng)的能壘。

得益于這種結(jié)構(gòu)，該催化劑（Pt/D-NiFe-LDH）在電催化析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出了極低的過(guò)電位，在堿性（1 M KOH）和中性（1 M KPi）電解質(zhì)中分別僅需4mV和9mV的過(guò)電位即可驅(qū)動(dòng)10mA cm-2的析氫電流。此外質(zhì)量活性達(dá)到商用Pt/C的51.5倍（堿性）和23.7倍（中性），并在300小時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試中保持性能不衰減。

該催化劑不僅提升了析氫反應(yīng)的效率，還展示了通過(guò)合理設(shè)計(jì)金屬催化劑的配位環(huán)境和電子結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)催化性能的巨大潛力。

文獻(xiàn)名稱：Negative‐Valent Platinum Stabilized by Pt─Ni Electron Bridges on Oxygen‐Deficient NiFe‐LDH for Enhanced Electrocatalytic Hydrogen Evolution

Advanced Functional Materials

氟化工程構(gòu)造超抗氯、弱重構(gòu)電催化劑，用于抗氯氧化和高穩(wěn)定性的海水電解

直接海水電解是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色氫氣生產(chǎn)和向脫碳能源系統(tǒng)過(guò)渡的關(guān)鍵。然而，由于催化劑不穩(wěn)定其性能受到重大限制，這是由過(guò)度重構(gòu)、低催化活性和氯腐蝕引起的。

2025年1月29日，期刊Advanced Functional Materials報(bào)道研究人員通過(guò)氟化工程將高電負(fù)性F引入NiFe層狀雙氫氧化物（F-NiFe-LDH）中，在Ni周圍誘導(dǎo)缺電子區(qū)，從而產(chǎn)生豐富的本征高價(jià)Ni位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)和理論詳細(xì)證實(shí)了F-NiFe-LDH具有弱重構(gòu)、高穩(wěn)定性、超抗氯表面和高活性晶格氧的特征。

這種具有高本征鎳價(jià)的氟化NiFe-LDH（F-NiFe-LDH）可以表現(xiàn)出以超疏抗氯表面為特征的硬路易斯酸性，并在電解過(guò)程中實(shí)現(xiàn)弱重構(gòu)，可以有效避免Cl-腐蝕和相分離。

得益于這種特殊結(jié)構(gòu)，F(xiàn)-NiFe-LDH表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧反應(yīng)（OER）活性，在堿性模擬海水和堿性海水中達(dá)到500mA cm?2時(shí)分別具有306和375mV的低過(guò)電位。它還表現(xiàn)出耐氯腐蝕性，在1000mA cm?2下進(jìn)行超過(guò)1000小時(shí)的超穩(wěn)定海水電解不會(huì)出現(xiàn)性能下降、結(jié)構(gòu)坍塌或氯氧化反應(yīng)。

此外，該裝置被組裝成一個(gè)陰離子交換膜電解槽，可以在500mA cm?2下驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定的海水電解，低能耗（4.87kWh Nm?3H2）顯示出優(yōu)越的應(yīng)用前景。

本研究為設(shè)計(jì)針對(duì)避免氯氧化海水電解的耐腐蝕電催化劑提供了靈感，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性和OER活性。

文獻(xiàn)名稱：A Super‐Chlorophobic Yet Weak‐Reconstructed Electrocatalyst by Fluorination Engineering toward Chlorine Oxidation‐Free and High‐Stability Seawater Electrolysis

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XFL01

NiFe-LDH二維層狀雙金屬氫氧化物

狀態(tài)：棕黃色粉末

主要成分：Fe、Ni、N、H、O

純度：＞99.0%

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狀態(tài)：淡紫色粉末

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直徑：300-500nm

比表面積：BET≈160m2/g

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狀態(tài)：白色粉末

元素含量：C:~17wt%、O:~58%、Mg:16wt%、Al:9wt%(EDS)

粒徑：1-4μm(SEM)

孔徑（平均）：19nm

比表面積：~13m2/g

XFL13

鎂鐵層狀雙金屬氫氧化物

外觀：黃褐色粉末

尺寸：50-200nm（TEM）

元素含量：C:6.7wt%、O:52.2wt%、Mg:27.2wt%、Fe:13.9wt%(XPS)

電位：+25.7mV