林跃河教授，张强教授，丁士超博士，Small：高效析氧反应电催化剂：石墨烯负载镍铁纳米粒子巢

文章信息

高效析氧反应电催化剂：石墨烯负载镍铁纳米粒子巢

第一作者：吕昭媛， 余胜

通讯作者：林跃河，张强，丁士超

单位：美国华盛顿州立大学；加州大学圣迭戈分校

研究背景

电催化在析氧反应（OER）中的作用至关重要，尤其是在清洁能源生成和高效能源存储技术，如水分解和可充电金属-空气电池中。尽管目前商业上可用的贵金属催化剂（如IrO₂和RuO₂）在OER中表现出色，但它们昂贵的成本限制了其广泛应用。因此，寻找成本更低、效率更高的非贵金属催化剂至关重要。在此背景下，本研究探讨了一种新型负载石墨烯NiFe纳米粒子巢（NiFe NNG）材料在碱性条件下OER中的高效应用。

文章简介

近日，华盛顿州立大学的林跃河教授，张强教授，丁士超博士等人，在国际知名期刊Small上发表题为“NiFe Nanoparticle Nest Supported on Graphene as Electrocatalyst for Highly Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究性文章。该研究介绍了通过使用Ni和Fe前驱体与不同比例的氧化石墨烯结合，开发了一种新型的低成本高效OER电催化剂。催化剂的合成包括通过添加硼氢化钠的快速还原过程，成功地在石墨烯支持体上形成了NiFe纳米粒子巢。研究表明，NiFe NNG催化剂在碱性介质中展现出出色的OER性能，具有低过电位和优异的稳定性。

图1. 石墨烯负载的NiFe纳米粒子巢（NiFe NNG）材料示意图。

本文要点

催化剂的独特结构：NiFe纳米粒子巢（NiFe NNG）是通过将Ni和Fe前驱体与氧化石墨烯结合，经过特定的化学还原过程形成的。这种结构使NiFe纳米粒子均匀分布于石墨烯表面，形成巢状结构，从而增加了活性位点的数量和催化剂的比表面积。

电化学性能的优异：NiFe NNG-20展示了出色的OER性能，具有292.3 mV的低过电位和48 mV dec⁻¹的塔菲尔斜率，在10 mA cm⁻²的电流密度下表现优异。此外，催化剂在长期使用过程中展现出了显著的稳定性。

电子和离子传输的改善：NiFe NNG催化剂通过其独特的巢状结构和石墨烯的支持，实现了更有效的电子和离子传输。这种结构促进了电荷的快速传递，减少了能量损失，从而提高了整体电催化过程的效率。

NiFe基催化剂的优势：与其他NiFe基催化剂相比，NiFe NNG-20显示出更好的性能，这归功于其更高的比表面积和改善的电化学活性面积（ECSA）。这种巢状结构和石墨烯的结合为OER提供了更多的活性位点和更高的反应动力学。

材料合成的可控性：研究表明，通过调整Ni和Fe前驱体的比例和还原条件，可以有效控制NiFe NNG的结构和性能，为不同的应用需求提供了调控空间。

本文总结

本文所开发的NiFe纳米粒子巢（NiFe NNG）催化剂在碱性条件下对氧气进化反应（OER）的催化性能进行了显著改进。通过将NiFe纳米粒子与石墨烯结合，不仅提高了催化剂的表面活性，还增强了其电子传输能力。这些改进不仅对OER的效率产生重大影响，还为能源存储和转换技术提供了新的视角。未来相关研究将关注于结构优化、探索新的材料组合，以及评估在大规模应用和环境影响方面的潜力。

通讯作者简介

林跃河 教授简介：美国华盛顿州立大学终身教授。林跃河教授当选为美国医学与生物工程院(AIMBE) 院士，美国国家发明院 (NAI) 院士, 美国科学发展协会AAAS Fellow，英国皇家化学会 (RSC) Fellow，电化学会 (ECS) Fellow，华盛顿州科学院院士。

林跃河教授主要致力于功能化纳米材料的设计及能源和环境应用、开发新型纳米生物电化学传感设备及纳米材料用于生物医学诊断及药物递送。目前发表文章及专著约700篇，如 Nat. Energy, Sci. Adv., Nat. Comm., Nat. Protoc., JACS, Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Mater. Today, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew., ACS nano, Nano Letters 等, 总引用约82000次，h-index为148；入选汤森路透和科睿唯安（Thomson Reuters/Clarivate Analytics）2014-2023全球高被引科学家名单（Highly Cited Researchers）。目前担任Anal. Chim. Acta期刊主编，及Research, Front. Chem. 等期刊副主编, Biosens. Bioelectron., Adv. Mater. Technol., Sensor. Actuat. B, Electroanalysis, Talanta, Sensors, Biosensors, Fundamental Research, View, 等多个国际期刊编委。

张强 教授简介：于2008年在吉林大学化学学院取得化学学士学位，博士师从南卡罗莱纳大学（The University of South Carolina）化学系教授 Richard D. Adams，并于2013年取得博士学位。

随后在德州农工大学（Texas A&M University）化学系周宏才教授课题组从事博士后研究工作。2016年加入华盛顿州立大学（Washington State University）。长期从事多孔材料，分离，催化，小分子簇合物以及纳米材料方向的研究。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater, Adv. Sci., Small, Green Chem. 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文60余篇，被引用5,000 余次，H因子26。

丁士超 博士简介：现为加利福尼亚大学圣迭戈分校博士后研究员，导师Prof. Joseph Wang。博士毕于华盛顿州立大学, 导师Prof. Yuehe Lin。

主要研究方向是纳米材料/工程在电催化、生物传感、可穿戴集成器件及生物医药方面的应用。目前发表SCI论文62篇，以第一作者或通讯作者在Nat. Med., Nat. Rev. Mater., Nat. Rev. Endocrinol, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Mater. Today, ACS Nano, Research, Nano-Micro Lett. 等期刊共发表SCI论文28篇，引用2000余次，H因子25。目前担任Advanced Energy Conversion Materials期刊编委，Front. Chem., Inorganics, Nanomaterials, Front. Mol. Biosci., Front. Mater., Sensors, Polymers期刊客座/主题编辑 及70多个国际期刊审稿人, 审稿260余次。