近日，77779193永利官网包海峰教授團隊在材料類國際知名期刊《Nano-Micro Letters》發表了題為“Boosting Oxygen Evolution Reaction Performance on NiFe-Based Catalysts Through d-Orbital Hybridization”的最新研究成果（鍊接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01528-9），是繼最近電催化氧析出反應（OER）催化劑研究（Adv. Funct. Mater. 2024, 2405474.）的又一創新性成果。77779193永利官网省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室和材料學院為該論文的第一署名單位和通訊單位，材料學院王星博士、皮炜為論文共同一作，材料學院包海峰教授、國家重點實驗室姚娜博士和武漢大學化學與化工學院羅威教授為共同通訊作者。

近年來，用于綠色氫氣生産的陰離子交換膜水電解器（AEMWEs）由于其使用地球豐富的NiFe基催化劑的可行性而受到廣泛關注。然而，NiFe基催化劑的OER活性仍未能達到預期，因為速率決定步驟（RDS）的能量障礙較高。因此，迫切需要發現有效的途徑來克服緩慢的RDS能量障礙，從而提高NiFe基OER電催化劑的性能。

圖1. NiFe基催化劑的電子結構分析。

本工作通過在NiFe基催化劑中引入第三種金屬元素構建不對稱的M-NiFe單元，調控d軌道和電子結構。第三元素的引入引起NiFe的d軌道和電子結構的擾動，使得反應中心金屬位點的軌道結構微調，從而在OER過程中NiFeM的d軌道和吸附氧的2p軌道之間産生不同程度的雜化。實驗結果表明，La原子摻雜到NiFe中可以破壞Ni-Fe單元的對稱性，從而通過3d-5d軌道耦合精确調節活性位點的d軌道，調節OER中間體的吸附能，提高催化活性（圖1）。DFT計算進一步表明，La原子的引入破壞了Ni-Fe單元的對稱性，有助于構建梯度3d-5d軌道耦合的Ni/Fe-M不對稱幾何結構，這影響了催化劑表面金屬位點與OER過程中的含氧中間體之間的d-p軌道雜化（圖2）。

圖2. 理論模拟揭示NiFe基催化劑的OER機制。

研究表明，引入5d軌道的NiFeLa0.5展現出無與倫比的OER催化活性和穩定性，使得以NiFeLa0.5作為陰極催化劑的AEMWE裝置在1 A cm⁻²的電流密度下實現了僅1.58 V的電池電壓，并在600 h的長期穩定性測試中實現了無可見衰退（圖3）。這項工作通過由3d-4d/5d軌道雜化引起的軌道電子調控策略為NiFe基催化劑在商業AEMWE系統中的實際應用提供了可行的解決方案。

圖3. NiFe基催化劑的AEMWE性能。