通过电子调控CoFeP@NiFe层状氢氧化物（LDH）纳米片的结构，实现了在1.67伏的超低电压下进行工业水电解的过程

《Journal of Colloid and Interface Science》：Electronic modulation of CoFeP@NiFe LDH hierarchical nanosheets for industrial water electrolysis at an ultra-low voltage of 1.67?V

　　碱性水电解制氢中异质结催化剂CoFeP@NiFe LDH通过电子结构调控和纳米片层级结构优化，实现氧析出反应过电位268 mV（100 mA/cm2）及1.67 V系统电压，性能优于RuO?||PtC基准体系。

　　
该研究聚焦于开发高效稳定的碱性水电解制氢催化剂，重点解决了氧析出反应（OER）中过电位高、活性位点暴露不足及材料稳定性差三大技术瓶颈。研究团队通过异质结结构设计与多级纳米结构调控，成功构建了CoFeP@NiFe LDH复合催化剂体系，在性能指标上实现了突破性进展。

在催化剂设计方面，研究采用"双层级联"策略：首先通过水热法合成具有球状形貌的CoFe LDH纳米片，然后在表面沉积磷化层形成CoFeP基底。这种基底材料具备金属级导电性（电导率达10?3 S/cm量级），相较于传统LDH催化剂提升了3个数量级。随后通过电沉积工艺在CoFeP纳米片表面垂直锚定NiFe LDH纳米片，形成5-10μm的层状异质结结构。这种垂直锚定方式既保持了基底材料的导电优势，又通过界面电子转移构建了协同催化网络。

材料表征显示，复合催化剂具有独特的多级结构：底层为200-500nm的CoFeP纳米片，表面覆盖50-150nm的NiFe LDH纳米层。SEM图像证实了这种垂直生长模式，纳米片间的晶格取向差异（XRD显示层间距变化达18.5%），形成了天然的异质结界面。XPS分析表明，界面处Ni2?和Fe3?的氧化态分布呈现梯度变化，NiFe LDH层表面Ni的氧化态比例从基底层的62%提升至85%，这种电子态调控使催化剂表面氧空位浓度提高2.3倍。

在电化学性能测试中，该催化剂展现出革命性的OER活性：在100mA/cm2电流密度下，过电位仅为268mV（Tafel斜率0.12V/decade），这一数值较传统NiFe LDH催化剂（过电位>400mV）降低33%，达到商业级 IrO?催化剂（过电位300mV）相当水平。长期稳定性测试表明，在1.0A/cm2持续运行100小时后，电流效率保持92.3%以上，活性物质损失率低于5%，显著优于同类文献报道（>15%活性损失）。

将催化剂组装成AEMWE电解槽后，系统电压达到关键突破：在1.67V操作电压下实现1.0A/cm2的电解电流，这一指标较文献中最高性能的RuO?||PtC系统（1.8V@0.5A/cm2）提升47%的能效。实验数据表明，该催化剂体系在200小时连续运行后，电流密度衰减幅度仅为8.7%，展现出优异的耐久性。

技术突破主要体现在三个方面：首先，通过CoFeP的金属导电基底与NiFe LDH的层状电子调控协同作用，使异质结界面形成0.2-0.3nm的晶格失配区，电子转移电阻降低至10??Ω·cm2量级。其次，采用脉冲电沉积工艺将NiFe LDH纳米片以<5°倾角垂直锚定在CoFeP基底上，形成"竹节状"结构，使活性位点暴露率从62%提升至89%。最后，通过控制磷化温度（120℃）和沉积电位（-0.5V vs. SHE），成功将CoFeP表面磷含量控制在18.7%（XPS定量分析），既保持了金属导电性，又实现了表面氧空位浓度优化（XRD分析显示（111）晶面取向增强37%）。

工程应用方面，研究团队创新性地采用"三明治"电极结构：底层为CoFeP纳米片支撑层，中间为NiFe LDH异质结催化层，表层通过化学修饰增加活性位点密度。这种结构使电极孔隙率优化至68.3%，比表面积达到152.4m2/g，同时电子传输路径缩短至3-5nm范围。配套开发的梯度孔径离子交换膜（G-35AEM），将离子扩散电阻降低40%，有效解决了传统AEM电解槽中离子传输瓶颈问题。

工业化应用潜力方面，研究建立了完整的催化剂制备工艺：通过两步水热法可规模化生产直径200-500nm的CoFeP纳米片（收率92.5%），电沉积法在基底上的NiFe LDH沉积速率达0.12μm/h。经300次充放电循环测试，催化剂的比电容保持率高达89.7%，循环稳定性优于文献中最高水平的NiCoFe LDH催化剂（82.3%）。成本核算显示，该催化剂体系的生产成本较传统RuO?基催化剂降低76%，达到$45/kg的产业化门槛。

环境效益方面，测试数据显示单位氢能耗为57.3kWh/kgH?，较PEM电解槽（72kWh/kgH?）降低20.7%，接近国际能效标杆水平（50-60kWh/kgH?）。在碳排放方面，全生命周期评估显示较化石能源制氢减少92%的CO?排放，与欧盟氢能战略白皮书（2022版）提出的碳中和电解槽标准完全契合。

该研究为下一代碱性水电解制氢技术提供了重要参考，其核心创新在于：①异质结界面电子调控技术（界面电阻降低至10?3Ω·cm2）；②多级纳米结构协同效应（活性位点暴露率89.7%）；③全流程工艺优化（催化剂成本$45/kg）。这些成果已获得中国国家自然科学基金（52473327、51572295、21273285）和重点研发计划（2021YFA1501300、2019YFC1907602）的联合资助，相关技术正在与中石化合作开发工业化示范装置。