氢气是一种绿色清洁的能源载体。电解水制氢是采用太阳能、风能等可再生能源产生电能驱动反应的发生，是一种有前景的技术之一。但由于阳极析氧反应（OER）缓慢的动力学，导致电解水制氢只有较低的能量效率。因此需要开发高效的OER电催化剂。NiFe氢氧化物材料被认为是最具潜力的高效廉价的碱性OER电催化剂之一。近年来相关研究工作表明，引入第三种过渡金属（如Co、Cr、Al、Mo、W等）是一种有效的提升NiFe氢氧化物OER性能的策略。

近期，四川大学程冲研究员、李爽研究员、赵长生教授合作研究团队，报道了一种界面原子替代策略合成NiFeV纳米纤维用于OER催化。研究发现，V的原子替代生长，可以最大化V原子对Fe、Ni原子价态的提升作用，增加高价Fe原子比例，增强反应动力学，降低反应过电位，最终实现OER性能的提升。该NiFeV 纳米纤维催化剂在OER催化中展现出优异的催化活性，达到10 mA/cm2电流密度所需要的过电位仅为263 mV，明显优于一锅法合成的NiFeV材料（337 mV）。特别是当催化剂负载在碳布表面，其催化性能可以进一步提升，过电位仅为181 mV（10 mA cm−2），在100 mA cm−2的大电流条件下可持续稳定工作20小时以上。

图1. 界面原子替代法制备NiFeV纳米纤维示意图

作者首先制备了V3O7纳米纤维作为模板和V源。在NiFeV纳米纤维生长过程中，V3O7可以逐渐释放V原子，并逐渐替代掺杂到纳米纤维表层生长的NiFe氢氧化物中。

图2. NiFeV纳米纤维的形貌结构表征

电子结构分析表明，相对于“V原子一锅法”产物（NiFeV），界面V原子替代生长法的产物（NiFeV nanofibers）能更加有效的降低V结合能，NiFe结合能升高，NiFe (特别是Fe)向V的电荷转移使得催化剂中Fe处于高价态（＞3+），说明界面V原子替代生长法更有利于NiFe活性位点价态调控。

图3. NiFeV纳米纤维电子结构表征

电化学测试结果表明，相比于NiFeV，NiFeV 纳米纤维具有更低的过电位（η10=263 mV）、更快动力学 (Tafel斜率：62 mV dec-1)、更好的本征活性 (TOF值是NiFeV的4.3倍)、更好的导电性以及更大的电化学活性表面积。充分体现了利用界面V原子替代策略合成V掺杂NiFe氢氧化物对于OER性能提升的优越性。

图4. OER催化性能表征 (1 M KOH; RDE电极) 

当催化剂负载在碳布表面，NiFeV nanofibers/CC催化性能可以进一步提升至181 mV （10 mA cm−2），在100 mA cm−2 的大电流条件下可持续稳定工作20小时以上。组装的简易电解水器件中，原子替代的NiFeV nanofibers展现出超越商业贵金属RuO2催化剂的性能，也优于目前大部分文献报道的非贵金属电解水催化体系。器件在1.5 V AA电池的驱动下，可以实现稳定持续的氢气产出。

图5. OER及全解水催化活性 (碳布负载) 

总之，此文创新性地提出界面原子替代策略来合成NiFeV纳米纤维。V的原子替代生长，可以最大化V原子对Fe、Ni原子价态的提升作用，增加高价Fe原子比例，增强反应动力学，降低反应过电位，最终实现OER性能的提升。界面原子替代策略为合理设计高效、耐用的非贵金属基OER催化剂提供了一条有效途径。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是四川大学硕士研究生张奔。