氢能因其资源丰富、能量密度高、无污染而成为最有希望的化石燃料替代品。水分解作为一种制氢方法，具有纯度高、速度快和环境友好等诸多优点。在工业水分解过程中，析氢反应(HER)和析氧反应(OER)分别发生在阴极和阳极。相比之下，OER不利于热力学和动力学，这限制了工业水分解的应用。因此，人们为在工业和传统电解条件下寻找高效的双功能水分解电催化剂而进行了大量的研究。与成本高、储量低和稳定性差的贵金属电催化剂相比，双过渡金属氢氧化物因其独特的结构、丰富的地球储量和良好的电催化活性而被广泛应用于水分解。然而，双过渡金属氢氧化物导电性差，本身活性低，严重阻碍了工业电解条件下电催化性能的进一步发展。近年来，具有高活性的非晶态电催化剂得到了人们广泛的关注。一方面，结构紊乱的非晶态催化剂可以暴露出更多的缺陷，这些缺陷被认为是OER/HER反应的活性位点。另一方面，非晶态结构甚至可以影响电催化剂的形貌，从而提供更多的催化活性位点，这将改善氢氧根的反应动力学，提高氢氧根固有的低活性。据报道，过渡金属原子掺杂是形成催化剂非晶态结构有效的方法。这是因为过渡金属原子掺杂不仅可以调节催化剂的晶体结构形成非晶态，而且这可能会形成额外的活性位点，增加催化剂的内在活性。
近日，石河子大学化学化工学院陈龙副教授团队发表了研究性文章，该论文通过水热法合成了一系列纳米线阵列组装的海胆状无定形氢氧化物(MgxNi1-xCo-OH, 0<x<1)。Mg和Ni/Co之间的协同作用调节了它们的晶体结构和形态，提高了它们的固有活性，从而提供了更多的活性位点。得益于良好的结构特征，Mg0.5Ni0.5Co-OH在1M KOH 25oC条件下表现出优异的电催化析氧析氢反应(OER和HER)活性，过电位较低，分别为277 mV和110 mV (10 mA cm-2)。此外，在模拟工业电解条件(5M KOH 65oC)下，OER和HER的电流密度为50 mA·cm-2时，需要239和197 mV的过电位。在1M KOH 25℃和5M KOH 65℃条件下，Mg0.5Ni0.5Co-OH在50 mA cm-2条件下分别以1.938 V和1.699 V的低电压加速水分解。此工作提出了一种新的非晶态策略，设计和构建用于工业应用的海胆状混合氢氧化物电催化剂。相关文章以“Sea urchin-like amorphous MgNiCo mixed metal hydroxide nanoarrays for efficient overall water splitting at industrial electrolytic conditions”为题发表在Dalton Transactions上。本文第一作者为石河子大学化学化工学院王利平硕士和程祎焜硕士，通讯作者为陈龙副教授，通讯单位为石河子大学。【本文亮点】
亮点一：合成了海胆状非晶态MgNiCo混合氢氧化物纳米阵列。
亮点二：Mg的引入导致形成了独特的海胆状非晶结构。
亮点三：Mg与Ni/Co的协同作用提高了Mg0.5Ni0.5Co-OH的电导率。
亮点四：在工业条件下，电极对只需1.699 V的电压达到50 mA cm-2的电流密度。
图1. 自支撑非晶态MgxNi1-xCo-OH的合成路线.
图2. Mg0.25Ni0.75Co-OH、Mg0.5Ni0.5Co-OH和Mg0.75Ni0.25Co-OH的电子显微分析.
海胆状Mg0.5Ni0.5Co-OH的直径约为9.38μm，小于Mg0.25Ni0.75Co-OH的11.30μm和Mg0.75Ni0.25Co-OH的9.52μm。此外，样品的海胆状形貌是由一维纳米线组装而成的， Mg0.5Ni0.5Co-OH纳米线的直径约为111nm，小于Mg0.25Ni0.75Co-OH的直径（153nm）和Mg0.75Ni0.25Co-OH的直径（182nm）。较小的尺寸有利于提高比表面积，增强电子转移速率。
图3. Mg0.25Ni0.75Co-OH、Mg0.5Ni0.5Co-OH和Mg0.75Ni0.25Co-OH的XRD, XPS和BET表征.
图4. Mg0.25Ni0.75Co-OH、Mg0.5Ni0.5Co-OH和Mg0.75Ni0.25Co-OH在1M KOH中的HER性能.
图5. Mg0.25Ni0.75Co-OH、Mg0.5Ni0.5Co-OH和Mg0.75Ni0.25Co-OH在1M KOH中的OER性能.
图6. Mg0.5Ni0.5Co-OH在1M KOH 25oC和工业条件下（5M KOH 65℃）的全解水性能.
作者采用一步水热法合成了在NF上均匀生长的海胆状无定形MgxNi1-xCo-OH。Mg的引入调控了NiCo-OH的晶相、电子结构和形貌，使NiCo-OH从二维纳米片转变为一维纳米线，从而组装成海胆状结构。Mg的引入产生了大量的氧空位和不饱和原子，增大了材料的比表面积，从而使表面暴露出更多的活性位点，提高了电催化性能。Mg0.5Ni0.5Co-OH只需要1.938 V电池电压就能达到50 mA cm-2的电流密度。此外，Mg0.5Ni0.5Co-OH对H2和O2具有良好的法拉第效率，分别为95.44%和89.24%。同时，在工业应用条件下，Mg0.5Ni0.5Co-OH催化剂在50 mA cm-2条件下也表现出优异的整体水分解性能，电池电压为1.699 V。因此，将Mg引入到NiCo-OH中为氢氧化物作为双功能整体水分解电催化剂的无定形设计和构造提供了新的研究策略。【文章信息】
Wang LP, Cheng YK, Xiong JH, Zhao ZW, Zhang DB, Hu ZY, Zhang Haoyu, Wu Q, Chen L. Sea urchin-like amorphous MgNiCo mixed metal hydroxide nanoarrays for efficient overall water splitting at industrial electrolytic conditions. Dalton Trans., 2023 https://doi.org/10.1039/D3DT00160A