近日，上海电机学院集成电路学院韩治亚团队在电催化析氧反应（OER）催化剂的可控制备方面取得重要进展。团队创新性地提出了“通道两步熔盐”（CTMS）策略，成功制备了缺陷工程化的NiFeMo层状金属氧化物催化剂（NiFeMo-LMO），在碱性介质中展现出优异的OER活性和工业级耐久性。相关成果以“A scalable two-step molten salt route to defect-engineered NiFeMo layered oxides for industrial-grade oxygen evolution”为题发表在Journal of Alloys and Compounds 1065, 188207 (2026)上。
在“双碳”目标驱动下，绿氢制备技术是实现能源转型的关键。碱性阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其可耦合可再生能源而被视为最具前景的大规模制氢技术之一，但其阳极析氧反应（OER）受限于四电子转移过程的缓慢动力学和贵金属催化剂的高成本，亟需开发高效、稳定、廉价的非贵金属OER催化剂。
针对传统水热合成层状金属氧化物（LMO）存在的流程繁琐、反应周期长、缺陷不可控等痛点，团队提出的CTMS策略将微通道反应器技术与熔盐处理有机结合：首先利用微通道反应器中环氧丙烷的快速开环反应诱导Ni-Fe-Mo前驱体的均匀成核，随后在熔融NaNO₃介质中进行高温处理。熔盐作为离子扩散介质，不仅实现均匀传热和紧密的固-气接触，还有效促进了受控氧化、晶格重构和缺陷生成。
图1. NiFeMo-LMO的形貌与结构表征：(a)熔盐处理示意图；(b) SEM图像；(c,d) TEM图像；(e)晶格条纹像；(f)元素面分布图。纳米片厚度约5–15 nm。
XRD结果显示，NiFeMo-LMO的(003)衍射峰从11.23°偏移至10.72°，对应层间距d₀₀₃从0.788 nm增大至0.825 nm，表明Mo掺杂和熔盐处理有效增大了层间距。HRTEM图像清晰显示出0.25 nm的晶格条纹（对应(012)晶面），并观察到明显的晶格畸变。EPR谱在g≈2.003处出现强信号，证实NiFeMo-LMO富含氧空位和缺陷位点。XPS分析显示Fe 2p和Ni 2p结合能向高能端偏移（分别从711.08 eV和852.51 eV移至711.57 eV和852.72 eV），而O 1s向低结合能偏移，表明存在显著的Ni-Fe-Mo电子协同作用。Mo 3d谱展现出Mo⁶⁺、Mo⁴⁺和Mo⁰多价态共存的特征。XANES分析进一步揭示了Ni和Fe的平均氧化态分别高于Ni²⁺和Fe³⁺，而Mo的平均价态接近Mo⁴⁺。
图2.电子态与化学结构分析：(a) Ni 2p XPS；(b) Fe 2p XPS；(c) Mo 3d XPS；(d) Ni K-edge XANES；(e) Fe K-edge XANES；(f) Mo K-edge XANES；(g–i) FT-EXAFS谱；(j–l)小波变换分析。
在1 M KOH电解液中，NiFeMo-LMO仅需226 mV的超低过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，性能显著优于未熔盐处理的NiFeMo-MCR（257 mV）和商用RuO₂（297 mV）。Tafel斜率（83.9 mV dec⁻¹）和电化学阻抗谱进一步证实其更快的反应动力学和更低的电荷转移电阻。ECSA分析表明NiFeMo-LMO具有更高的电化学活性面积（0.78 mF cm⁻²）。值得注意的是，该催化剂在500 mA cm⁻²的工业级电流密度下连续运行200小时无明显电压升高，展现了卓越的稳定性。TOF计算进一步确认其优异的本征催化活性。
图3. OER电催化性能：(a) 1 M KOH中的极化曲线；(b) 10和100 mA cm⁻²下的过电位对比；(c) Tafel曲线；(d) Cdl图；(e) 500 mA cm⁻²下的长时间稳定性；(f)与文献报道催化剂的性能对比。
原位电化学拉曼光谱揭示了NiFeMo-LMO在OER过程中的动态结构演化。在1.4 V电位下，可清晰识别457 cm⁻¹和530 cm⁻¹处的Eᵍ和A₁ᵍ晶格振动模式（归属为Niᵀᵀ-O键振动）。当电位提升至1.5 V时，拉曼谱发生显著变化，480 cm⁻¹（γ-NiOOH）和550 cm⁻¹（β-NiOOH）处出现新峰，证实了表面重构为高活性NiOOH相。值得注意的是，NiFeMo-LMO的NiOOH峰出现更早、更强，表明熔盐处理引入的丰富缺陷（氧空位、阳离子空位、晶界/位错）作为OH吸附的成核位点，加速了活性相转变。DFT计算表明，NiFeMo-LMO在决速步骤（*OH→*O）的自由能势垒为0.58 eV，低于NiFeMo-MCR的0.62 eV。态密度（DOS）分析显示，缺陷引入诱导电子不对称性，在费米能级附近产生额外电子态，增强了本征导电性和载流子密度。
图4. (a)不同电位下的原位拉曼光谱；(b) OER催化机理理论计算；(c) NiFeMo-LMO和NiFeMo-MCR的态密度（DOS）；(d)反应过程示意图。
在AEMWE全电解池验证中，以NiFeMo-LMO为阳极（负载量1.0 mg cm⁻²）、商用Pt/C为阴极组装了膜电极。NiFeMo-LMO||Pt/C电解槽仅需1.81 V即可达到1 A cm⁻²，远低于RuO₂||Pt/C体系的3.11 V。更重要的是，在500 mA cm⁻²恒电流下连续运行超过300小时无明显性能衰减，充分验证了其面向实际工业应用的巨大潜力。CTMS方法还成功拓展至W、V、Co、Cr等掺杂体系，展示了良好的普适性和千克级规模化生产能力。
图5. AEMWE器件性能：(a) NiFeMo-LMO||Pt/C和RuO₂||Pt/C的极化曲线；(b) 500 mA cm⁻²下300小时长时间稳定性测试。
该研究不仅为高性能非贵金属OER催化剂提供了可规模化、低成本的制备策略，还揭示了多金属层状氧化物中“结构–电子态–催化性能”的构效关系，为推动AEMWE技术在大规模绿氢生产中的实际应用奠定了重要基础。
本研究工作得到了国家自然科学基金（项目编号52373208、61831021、22075183、22278269、21975161）、教育部联合基金（项目编号8091B02052304）、上海市产业协同创新项目（项目编号2021-cyxt1-kj37、XTCX-KJ2022-70）、上海市教委科研创新项目（项目编号2023ZKZD54）、上海市自然科学基金项目（项目编号23ZR1425300、22ZR1426100）、上海市技术标准项目（项目编号23DZ2201100）等基金项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188207
