石河子大学博士生以第一作者身份在国际顶级期刊上发表研究成果

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随着化石燃料的枯竭和环境问题的加剧，氢能作为一种清洁、高效的能源载体，因其高能量密度和零碳排放特性，成为未来能源转型的关键。然而，电解水制氢过程中的OER由于其缓慢的动力学过程，成为制约电解水效率的瓶颈。开发高效、稳定且可扩展的非贵金属基OER电催化剂，以实现工业级电流密度下的低过电位和长期稳定性，是当前研究的重要方向。

基于此，石河子大学包福喜副教授、刘纪昌教授和郭文副教授等采用了一种简便的溶剂热法结合腐蚀策略合成了(Fe,Ni)OOH-MOF/NF复合材料。首先，通过溶剂热法在镍泡沫（NF）基底上制备FeOOH-MOF/NF，随后将其浸泡在硝酸镍溶液中进行腐蚀处理，最终形成(Fe,Ni)OOH-MOF/NF。通过X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等多种表征手段，对材料的化学组成、形貌、相结构和缺陷进行了详细分析。此外，结合原位拉曼光谱（In-situ Raman）、原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）以及密度泛函理论（DFT）计算，深入探究了材料在OER过程中的相重构行为和OER中间体的吸附/脱附过程。

实验结果表明，(Fe,Ni)OOH-MOF/NF在碱性条件下展现出优异的OER性能。该材料仅需229 mV和259 mV的过电位即可分别实现10 mA/cm2和100 mA/cm2的电流密度，并能在710 mA/cm2的工业级电流密度下稳定运行120小时（过电位仅为314 mV）。此外，以(Fe,Ni)OOH-MOF/NF为阳极的两电极全水分解装置在500 mA/cm2的电流密度下仅需1.93 V的电池电压即可实现120小时的长期稳定性。DFT计算结果表明，腐蚀过程优化了电催化剂的电子结构和d带中心，降低了OER速率决定步骤（*OOH→O2）的能垒。同时，计算结果还表明，在(Fe,Ni)OOH-MOF/NF中，Fe更倾向于作为OER的活性位点。In-situ Raman揭示了电催化剂在OER过程中的动态重构行为，而原位ATR-FTIR结合pH依赖性和化学探针实验进一步证实了电催化剂的OER机制遵循吸附质演化机制（AEM）。

相关成果以“Boosting oxygen evolution reaction activity and durability of FeOOH-MOF composite at industrial-grade current densities by a facile corrosion strategy”为题发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上（影响因子：20.3，中科院化学一区TOP期刊）。论文第一作者为学院2024级博士研究生黄彦兵，2021级硕士研究生顾宗丽（已毕业）为该论文共同一作；通讯作者为学院郭文副教授，刘纪昌教授和包福喜副教授。该研究得到了自治区天池英才计划、国家人才计划项目（No. CZ002712 和 No. KZ6009）、石河子大学高层次人才项目（RCZK202324）、兵团科技计划项目（No. 2023AB033）、国家自然科学基金（No. U22B20141）、石河子大学科技创新人才计划（No. ZG010603）等的支持。

来源： 石河子大学

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