《Journal of Colloid and Interface Science》：Superhydrophilic Ni(OH)
2/materials of institute lavoisier-100 (Fe) integrated with hydrogel to construct gradient hierarchical pore channels for efficient quasi-solid water splitting
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超亲水/超疏氧6-Ni(OH)?/MIL-100催化剂与高离子导电Co-PAAS水凝胶结合构建梯度孔道结构，实现定向水分传输，显著降低界面阻抗。在1.0 M KOH中，催化剂过电位OER为133 mV，HER为190 mV，整体电压1.475 V，电流密度衰减率<5%持续400小时。摘要结束分隔符：
李东明|李伟新|王大恒|何轩|杜星|陈辉|方伟|张海军|龚成|赵雷
中国武汉科技大学材料科学与工程学院先进耐火材料国家重点实验室，武汉430081
摘要
电催化水分解技术对于构建绿色和可持续的社会至关重要。然而，实际应用受到催化剂活性不足、液态电解质泄漏风险以及界面传质限制的阻碍。本文设计了一种电催化水分解装置，该装置采用超亲水/超疏水的6-镍(II)氢氧化物作为催化剂，该催化剂负载在Institute Lavoisier-100 (Fe) (6-Ni(OH)2/MIL-100)材料上，并与具有高离子导电性的钴改性聚丙烯酸钠盐（Co-PAAS）水凝胶结合使用。通过构建尺寸梯度分层孔道，水能够从Co-PAAS水凝胶定向传输到6-Ni(OH)2/MIL-100，显著降低了界面阻抗。在1.0 M KOH溶液中，6-Ni(OH)2/MIL-100催化剂在50 mA cm?2?2?1?1?2
引言
电催化水分解是一种有前景的无碳技术，可用于可持续的氢气生产[1]。然而，由于其氢气析出反应（HER）/氧气析出反应（OER）的固有催化活性不足[2]、反应物和产物在电极-电解质界面的传质缓慢[3]以及液态电解质的稳定性差（容易泄漏和降解[3]，其大规模应用仍面临挑战。因此，要实现高效稳定的电催化水分解，需要协同优化催化剂和电解质的物理化学性质，并提高界面相容性[4]。
近年来，人们致力于开发具有固有活性的催化剂，如元素掺杂[5]、相控制[6]、应变调节和单原子工程[7]。作为气体析出反应，OER/HER不可避免地会遇到H2和O2在电极表面积聚的问题。这些气泡会阻塞活性催化位点，阻碍反应物扩散，并由于绝缘性质增加界面欧姆电阻，从而降低传质效率、催化活性和长期稳定性[8]。为了减轻这些影响，人们探索了多种策略来加速气泡从电极上的去除。具体来说，具有超亲水/超疏水性质的电极由于气-液-固三相界面的不连续性，更有利于排斥气泡，从而减少气泡对活性位点的附着[9]。这些工程化的表面可以促进气泡以更小的尺寸释放，确保活性位点立即重新暴露，并提高电极-电解质界面的传质效率[10]。因此，通过表面改性和微观结构工程调节催化表面的润湿性对于确保高机械稳定性和优异的催化活性至关重要。
作为典型的金属有机框架（MOF）材料，Institute Lavoisier-100 (Fe) (MIL-100 (Fe))由于其极性羧酸配体而在水环境中与水分子强烈相互作用，表现出固有的亲水性[11]。通过微纳结构工程、表面形貌控制和官能团工程合理设计MOF结构，可以将其润湿性调节为超亲水或超疏水状态，从而减轻气泡屏蔽效应[12][13]。例如，赵等人通过植酸蚀刻破坏了CoFe-MOF中的M-O键，从而增强了电解质对活性位点的渗透性和可及性[14]。然而，传统用于电催化水分解系统的液态电解质在长时间运行过程中容易泄漏和溶剂不可逆耗尽，导致性能逐渐下降[15]。因此，必须开发创新的电解质系统，特别是自补充或固态架构，以在动态操作条件下保持稳定的离子传输[16]。准固态水凝胶作为一种有前景的候选材料，具有三维交联的亲水性聚合物网络。通过物理/化学交联作用形成的互连多孔结构，能够有效吸收和保持环境中的水分，同时保持离子迁移性[17]。基于水凝胶的材料通过吸附的水分促进电催化水分解反应，从而建立了一个自持续的“水分捕获-催化”循环[18]。尽管水凝胶的固有亲水性有助于与水分子强烈相互作用，但水向催化活性位点的定向传输不足最终可能会限制反应动力学[16]。研究表明，在亲水性分层孔系统中，毛细力（Pc = 2γcosθ/r）控制着水的定向传输。在恒定界面张力（γ）下，提高表面亲水性（即减小接触角θ）和在分层结构中设计更小的孔径（r）可以显著增强毛细力[19]。因此，通过同时提高催化剂的亲水性和精确调节催化剂-电解质界面的多尺度孔结构，可以通过放大的毛细作用实现从水凝胶储层到活性催化位点的有效定向水传输。
本文提出了一种通过多步电沉积法制备的超亲水6-Ni(OH)2/MIL-100分层孔结构。并通过添加纳米填料和金属离子掺杂合成了具有高离子导电性的Co-PAAS水凝胶。设计的孔径梯度结构从Co-PAAS层的大孔延伸到6-Ni(OH)2/MIL-100复合材料的纳米孔，产生了连续的毛细力，使水能够自发地向催化界面传输。基于6-Ni(OH)2/MIL-100催化剂和Co-PAAS水凝胶的集成电催化水分解装置在50 mA cm?2?2
部分摘录
在镍泡沫（NF）上原位生长MIL-100
采用水热法在镍泡沫（NF）表面原位生长了二维纳米片MIL-100。首先，将NF依次在1.0 M盐酸、乙醇和去离子水中超声清洗30分钟，然后进行真空干燥。随后，将1,3,5-苯三甲酸（BTC，Macklin，分析试剂（AR），≥98%，18 mg）和四水合氯化亚铁（FeCl2·4H2O，Aladdin，AR，≥98%，30 mg）溶解在70 mL水中，制备前驱体溶液
结果与讨论
6-Ni(OH)2/MIL-100催化剂是通过多步电沉积过程制备的，其中Ni(OH)2被沉积在MIL-100纳米片阵列上，形成分层多孔的6-Ni(OH)2/MIL-100（见图1a的示意图）。合成催化剂的晶体相通过X射线衍射（XRD）进行分析。3.4°、4.0°、5.9°、6.3°、10.3°、11.0°、16.7°和18.6°的峰对应于文献中报道的MIL-100[20]。关于6-Ni(OH)2
结论
本研究成功开发了一种准固态电解器，该电解器包含超亲水/超疏水的6-Ni(OH)2/MIL-100催化剂和具有高离子导电性的Co-PAAS水凝胶。Ni(OH)2的微花状结构沉积在MIL-100纳米片阵列上，形成了分层孔道，加速了气泡的脱离行为。所得到的6-Ni(OH)2/MIL-100表现出优异的电催化性能，过电位较低
CRediT作者贡献声明
李东明：撰写——原始草案、软件开发、数据分析。李伟新：撰写——审稿与编辑、资源获取、概念构思。王大恒：软件开发、资金获取。何轩：资源获取、资金获取。杜星：资源获取、实验研究。陈辉：资源获取、实验研究、数据分析。方伟：资源获取、数据分析。张海军：软件开发、资源提供。龚成：方法设计、数据分析。赵雷：项目管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了湖北省自然科学基金（2024AFB836、2023AFB626）、国家自然科学基金（52305211）、武汉市知识创新项目（2022010801010306）、湖北省教育厅科研计划（B2022017）、教育部绿色化学工程工艺重点实验室开放项目（GCP2022003）以及武汉市青年科技人才计划的财政支持
