层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides,LDHs)具有价格低廉、电催化活性优异等特点,已成为极具应用潜力的电催化剂。近期，我院韩磊教授和陶凯教授团队设计了系列基于NiFe-LDH的复合电催化剂用于全分解水制氢研究。

（1）具有自旋选择性电催化剂的设计

最新的研究工作揭示了自旋相关电荷转移和磁交换相互作用在增强本征OER动力学中的重要性。采取一种界面工程策略，合成了一种核壳异质结构的电催化剂(Co₃O₄@NiFe-LDH)，利用反铁磁性Co₃O₄和NiFe-LDH之间界面的强耦合来触发自发的磁响应。通过实验和计算分析，发现异质结构内的强双交换相互作用在界面处产生极化的自旋传导通道，这使得具有适当自旋态的电子能够有效积累，从而降低产生三重态O₂的能垒（图1）。因此，与原始NiFe-LDH相比，在0.25V的过电位下，该电催化剂的本征活性增加了26倍。（Spin Selectivity Induced by the Interface Effect for Boosted Water Oxidation, ACS Catal. 2024, 5685-5695）

                                 图1 Co₃O₄@NiFe-LDH的磁自旋、OER自由能相关计算结果

(2) 界面电子重构异质结电催化剂的设计

近期，通过在沸石咪唑骨架衍生的Co₃S₄纳米片阵列上电沉积超薄NiFe-LDH纳米片，制备的Co₃S₄@NiFe-LDH核壳异质结构对OER和HER均表现出优异的催化性能和超过500小时的超长稳定性。通过DFT 计算揭示了Co₃S₄ @NiFe-LDH/NF 核壳结构异质界面处强大的电子相互作用，促进电子从NiFe-LDH转移到Co₃S₄（图2），从而增强电催化活性。这项研究通过构建异质结界面为电化学水分解提供了新的见解。（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 7, 8751–8762）

此外，不同于一般的界面工程合成策略，以表面活性剂改性的NiCo-LDH为基底合成了一种核壳异质结构的电催化剂NiCo@NiFe-LDH，利用NiCo-LDH和NiFe-LDH之间的界面效应改善了LDHs材料的本征电子传导性和离子扩散动力学。通过实验和计算分析，发现异质结构内的强电子相互作用在界面处产生新的电子传输通道，增加了异质结内的电子传输效率，从而产生更多高价态的金属作为活性位点增加反应效率并降低了反应动力学能垒。（Inorg. Chem. 2023, 62, 49, 20194–20201）

                            图2 Co₃S₄@NiFe-LDH的差分电荷密度、构型图、OER自由能相关计算结果