图1：基于密度泛函理论（DFT）计算的催化剂设计结果
研究团队构建了三种异质结构模型（Ni(fcc)/NiO、Ni(hcp)/NiO和Co, Fe-Ni/NiO），并分析了它们在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中的催化机制。图1a显示了Co和Fe在不同位点的掺杂形成能，结果表明在Ni和NiO界面处掺杂时形成能最低，表明该位点最稳定。图1b展示了H₂O分子在不同催化剂表面的吸附位点，发现Ni(hcp)/NiO对H₂O的吸附能力最强，且Co和Fe的引入进一步增强了吸附能力。图1c计算了H₂O解离的能量障碍，Co, Fe-Ni/NiO表面的解离能垒最低（1.02 eV），表明其对H₂O的活化能力最强。图1d和图1e分别展示了HER和OER的自由能图，Co, Fe-Ni/NiO在两种反应中均表现出较低的能量障碍，表明其具有优异的催化活性。这些结果为后续实验设计提供了理论基础。
图2：Co, Fe-Ni/NiO/NF催化剂的合成过程及其形貌和结构特征
图2a通过示意图展示了催化剂的制备流程，包括在镍泡沫上生长NiCoFe层状双氢氧化物（LDH）纳米片，随后通过离子交换和热冲击处理得到最终产物。图2b的X射线衍射（XRD）图谱确认了hcp Ni和NiO的晶体结构共存。图2c-2e通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和球差校正扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，清晰展示了hcp Ni和NiO之间的异质结构界面以及原子排列。图2f-2j进一步通过选区电子衍射（SAED）和元素分布图（STEM mapping）验证了催化剂的组成和结构。这些结果表明，催化剂成功构建了亚稳态hcp Ni与稳定态fcc NiO之间的异质结构，为优异的催化性能提供了结构基础。
图3：Co, Fe-Ni/NiO催化剂的缺陷和电子结构表征
图3a通过氮气吸附-脱附等温线和孔径分布图，揭示了催化剂具有较高的比表面积（101.17 m²/g）和多级孔结构，这有利于电解质渗透和气体扩散。图3b的电子顺磁共振（EPR）谱图显示，热冲击处理后的样品中氧空位（OV）的信号强度显著增强，表明氧空位的增加有助于提升催化性能。图3c-f的X射线光电子能谱（XPS）分析进一步确认了催化剂表面Ni、Fe、Co和O的价态分布，以及氧空位的存在。这些结果表明，Co和Fe的掺杂以及氧空位的引入显著优化了催化剂的电子结构，从而提升了其电催化活性。
图4：Co, Fe-Ni/NiO/NF电极在碱性介质中的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）性能
图4a的极化曲线显示，Co, Fe-Ni/NiO/NF电极在10 mA/cm²时的过电位仅为26 mV，显著低于其他对比样品，接近商业Pt/C催化剂（17 mV）。图4b的塔菲尔斜率分析表明，Co, Fe-Ni/NiO/NF具有更快的反应动力学。图4c的计时电位曲线显示，该电极在900小时的稳定性测试中仅损失24 mV，表现出优异的长期稳定性。图4d-f针对OER性能，Co, Fe-Ni/NiO/NF电极在10 mA/cm²时的过电位为215 mV，低于其他样品和商业RuO₂催化剂。这些结果表明，Co, Fe-Ni/NiO/NF电极在HER和OER中均展现出卓越的催化活性和稳定性，具有实际应用的巨大潜力。
图5：Co, Fe-Ni/NiO催化剂在HER和OER过程中的动态反应机制
图5b和图5c展示了在OER过程中，随着电位的升高，催化剂表面逐渐氧化为NiOOH物种，并从β相转变为γ相。图5d和图5e针对HER过程，观察到催化剂表面的水分子在低电位下发生解离，且随着电位降低，水分子的解离效率显著提高。这些结果表明，Co, Fe-Ni/NiO催化剂表面的氧空位和hcp Ni的电子结构协同作用，加速了水分解的动力学过程，从而提升了整体催化性能。
图6：基于Co, Fe-Ni/NiO/NF电极的阴离子交换膜（AEM）电解槽的整体水分解性能
图6a展示了电解槽的结构示意图。图6b的极化曲线显示，该电解槽在室温下仅需1.48 V即可达到10 mA/cm²的电流密度，显著优于基于Pt/C和IrO₂的电解槽（1.58 V）。图6c通过柱状图对比了不同电流密度下的电解槽电压，进一步凸显了其优越性。图6d的计时电位曲线表明，该电解槽在0.1 A/cm²下运行1000小时后电压仅上升40 mV，在1.0 A/cm²下运行240小时后电压上升120 mV，表现出优异的稳定性。这些结果表明，Co, Fe-Ni/NiO/NF电极在实际工业电解水应用中具有巨大的潜力。
