近日，东北大学“冶金与材料过程外场控制研究团队”王强教授和袁双研究员在Energy & Environmental Materials 上发表题为：“Design, Preparation, and Structural Control Mechanism of High Performance Water Splitting NiFeCu Catalyst under Magnetic Field” 的研究型论文。

亮点

1.创新性提出"磁场-电沉积"协同制备策略，利用0.5 T磁场精准调控Cu扩散动力学，首次实现富铜枝晶结构NiFeCu催化剂的可控构筑。

2.揭示"磁扩散效应"机制，磁场使水合Cu离子半径显著减小、电解液黏度降低，促使Cu扩散系数提升；热力学计算证实0.5 T磁场使反应吉布斯自由能增加170 kJ/mol，为磁场加速反应提供直接热力学证据；

3.NiFeCu-0.5在10 mA cm^-2电流密度下，HER过电位仅44 mV，OER过电位仅188 mV，全解水电压低至1.48 V，优于商用Pt/C||RuO₂体系（1.58 V）。

研究背景

可再生电力驱动的水分解制氢是实现"双碳"目标的关键路径。尽管Pt/C和RuO₂分别被视为析氢反应（HER）与析氧反应（OER）的最优催化剂，但其高成本与资源稀缺性严重制约了大规模应用。为此，非贵金属催化剂（尤其是NiFe基材料）凭借高活性成为理想替代方案，然而长期电化学循环中，电荷转移电阻持续增大与动态重构引发的结构坍塌，导致其稳定性急剧下降。针对这一矛盾，研究者提出双轨突破策略，同步提升导电性与增强结构稳定性，其中铜（Cu）因卓越导电性与化学稳定性被确定为关键添加剂（例如通过调控d带电子结构优化反应动力学）。但传统电沉积技术对Cu含量的精准调控存在固有局限，使富铜枝晶NiFeCu催化剂的构筑陷入困境。磁场辅助电沉积技术由此成为破局关键：通过精准调控离子扩散、晶核成核及生长取向，可实现材料组分与结构的协同优化。然而当前研究仍存在双重盲区，磁场对多金属共沉积过程的作用机制缺乏定量解析（尤其Cu沉积动力学），且Cu含量与催化性能的构效关系尚未明确，亟需深入探索。

文章简读

可再生电力驱动的电解水技术是获取清洁氢能的关键途径，但HER与OER的缓慢动力学过程严重制约整体效率。本研究首先采用密度泛函理论（DFT）设计并验证了引入Cu元素提升导电性以优化催化性能的可行性。随后通过磁场辅助电沉积策略，成功制备出具有富铜枝晶结构的NiFeCu电催化剂。COMSOL与Fluent数值模拟揭示了磁场作用机制，"磁扩散效应"通过减小水合Cu离子半径及降低溶液黏度，显著提升Cu离子扩散系数。热力学计算表明，施加0.5 T磁场可使反应过程的磁吉布斯自由能增加170 kJ mol^-1，证实磁场具有加速反应的作用。X射线吸收精细结构（XAFS）分析进一步验证：富Cu结构向Ni、Fe元素提供电子，优化了反应中间体的吸附能。在1 M KOH电解液中，当电流密度为10 mA cm^-2时，NiFeCu-0.5催化剂的HER和OER过电位分别为44 mV和188 mV，全解水所需电压仅1.48 V。该研究为设计高活性双功能催化剂提供了新思路，同时开辟了磁场应用于材料制备与结构优化的新方向。

图文鉴赏

图1富铜结构NiFeCu和欠铜结构NiFeCu的DFT理论计算。

图2 NiFeCu-0.5催化剂的形貌与结构表征。

图3NiFeCu和NiFeCu-0.5催化剂的同步辐射表征分析。

图4磁场辅助电沉积下离子扩散作用机制研究。

图5 NiFeCu-0.5在1 M KOH溶液中HER性能研究

课题组招收信息

袁双，东北大学冶金学院研究员，博士生导师。主要从事磁场下材料的结构调控及其电池、电催化性能研究相关工作。近年来，在Advanced Materials、Energy & Environmental Science等期刊发表学术论文90余篇，获得省部级科技奖励4项，入选辽宁省首届青年拔尖人才。

王强，东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室教授，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，中国科学院院士有效候选人。现任东北大学党委常委、副校长。主要从事冶金与材料过程的外场控制理论与技术研究，包括电磁流体力学及其应用技术、强磁场材料科学、能量转换材料与技术等。以第一完成人获得国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖等奖励多项。

东北大学“冶金与材料过程外场控制研究团队”网站：http://team.neu.edu.cn/MMPCEF/zh_CN/index.htm

  

  

文章链接

Zhong Wang, Siyuan Zhang, Xuemin Wang, Chuhan Wang, Weibin Chen, Guojian Li, Xiaoming Liu, Qiang Wang*, Shuang Yuan*, Design, Preparation, and Structural Control Mechanism of High Performance Water Splitting NiFeCu Catalyst under Magnetic Field.Energy Environ. Mater. 2026, 0,e70277.

DOI: 10.1002/eem2.70277

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.70277

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Energy & Environmental Materials

(简称EEM，中文名：能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。