近期发表于《Engineering》期刊的一项开创性研究揭示了一种精妙的界面氧化还原调控技术，该技术利用电化学剥离石墨烯（EG）对镍基金属的表面化学性质进行精准调控。这一突破显著提升了其在氧气进化反应（OER）中的电催化活性，而OER是可再生能源应用中至关重要的过程，包括用于可持续制氢的水电解。
镍基材料因其储量丰富且电化学性质优良，长期以来一直处于OER催化领域的最前沿。然而，其催化性能与反应过程中形成的氧化氢氧化镍（NiOOH）相的性质密切相关。通常，金属镍预催化剂在阳极条件下会发生原位转化，生成NiOOH相，而该相既决定了活性，也决定了耐久性。传统上，活性较低的β-NiOOH相通常会形成，从而限制了整体效能。
在这项开创性研究中，浙江大学和大连理工大学的研究人员证明，在镍泡沫（NF）表面部署电化学剥离的石墨烯层，可引导界面氧化还原化学反应优先形成γ-NiOOH相。与β-NiOOH相比，该相以其优异的固有催化性能而著称，这主要归因于其中存在高度氧化的Ni⁴⁺位点，这些位点在OER过程中充当高活性中心。
该过程始于电解液（EG）对NF表面的选择性氧化，促使Ni²⁺物种占主导地位，从而在阳极极化过程中有利于γ-NiOOH的生成。通过先进的原位表征技术对这一受控的氧化还原环境进行了细致监测，结果证实了β-NiOOH的形成受到抑制，而γ相则占据优势，从而建立了更具催化优势的表面状态。
引人注目的是，氧化后的还原步骤使单个镍原子和小簇能够嵌入石墨烯层中，从而有效地形成了一系列额外的活性位点，进一步提升了电催化性能。这些离散的镍实体不仅增强了反应活性，还起到了保护作用，防止底层金属镍过度氧化，从而在长期运行中延长了催化剂的稳定性。
电化学测试验证了这一创新电极设计：改性EG–NF电极在达到基准电流密度时所需的过电位显著降低，同时塔菲尔斜率也大幅下降。塔菲尔斜率的降低表明反应动力学加速，这是优异催化功能的标志。此外，电化学阻抗谱分析表明，EG的存在促进了电极-电解质界面更高效的电荷转移动力学。
除了动力学因素外，石墨烯层带来的电化学表面积增大也显著提升了催化活性。活性位点的增加源于界面石墨烯独特的形态和高导电性，其形成的互连网络有利于电子传输和反应物扩散。
为验证该方法的广泛适用性，研究人员系统考察了不同类型石墨烯的影响，并将该方法扩展至双金属镍-铁（NiFe）泡沫基底。通过该策略制备的EG–NiFe电极展现出进一步提升的OER性能，既结合了镍与铁的协同催化效应，又得益于石墨烯层调控下可控的界面氧化还原调节。
耐久性评估凸显了这些改性电极的稳健性，长期电解测试表明，其电流密度在数小时内保持稳定，这对工业碱性水电解槽的实际应用至关重要。这种长效性与高催化效率相辅相成，为满足可持续制氢技术的严苛要求提供了全面的解决方案。
密度泛函理论（DFT）模拟进一步证实了性能提升的机理基础。计算模型阐明，γ-NiOOH对关键OER中间体的吸附能从热力学角度更为有利，这意味着速率决定步骤的过电位显著降低。这一发现不仅验证了实验结果，还为基于电子结构考虑的理性催化剂设计指明了明确方向。
本研究将界面氧化还原化学确立为一种强有力的手段，可在原子尺度上调控电催化剂的重构，从而实现活性相和原子级分散金属中心的精确设计。与导电石墨烯的集成不仅增强了电子导电性，还赋予了结构稳定性，最终形成了一种可扩展且简便的高性能OER电极制备方案。
这一发现的意义远不止于水分解。通过石墨烯介导的受控氧化还原操作来调节催化剂表面的概念框架，可推广至众多过渡金属基电催化剂，从而拓宽高效能量转换与存储技术的视野。
总体而言，这项工作标志着在追求经济可行且可持续的氢气生产方面迈出了关键性的一步。通过利用电化学剥离石墨烯作为界面调节剂的独特性质，该研究提出了一种灵活且稳健的策略，能够对镍基催化剂进行定制，以前所未有的精度调控其活性相，从而充分释放其催化潜力。
随着全球能源格局向更清洁的替代方案转变，此类创新为绿色氢能的大规模应用提供了切实可行的解决方案，并为燃料电池、可再生能源存储等未来技术奠定了基础。
Subject of Research: Electrocatalytic oxygen evolution enhanced through interfacial redox modulation of nickel-based metals using electrochemically exfoliated graphene
Article Title: Superior Electrocatalytic Oxygen Evolution of Nickel-Based Metals Modulated by Controllable Graphene Layers via Interfacial Redox Process
News Publication Date: 17-Feb-2026
Web References:
https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.028
https://www.sciencedirect.com/journal/engineering
Image Credits: Zhibin Liu, Dashuai Wang et al.
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