铁基催化剂在氧析出反应（OER）中表现出优异的性能，因其成本低、资源丰富且具有良好的电化学活性。近年来，Fe基催化剂的研究取得了显著进展，尤其是在Ni-Fe、Co-Fe等双金属体系中，通过元素掺杂、结构调控和缺陷工程等策略，显著提升了其催化活性和稳定性。
以下将从Fe基催化剂的结构特性、催化机制、性能优化策略以及实际应用等方面进行详细探讨。
Fe基催化剂的结构特性与催化机制
Fe基催化剂在OER中的催化性能主要与其结构特性密切相关。研究表明，Fe³⁺在Ni-Fe氧化物/氢氧化物中占据关键的活性位点，通过与Ni³⁺形成协同效应，显著增强了OER活性。
例如，Trotochaud等人通过原位X射线衍射和XAS分析发现，Fe³⁺在Ni(1-x)Fe(x)OOH中占据八面体位点，与周围的NiO₆八面体形成边缘共享结构，从而优化了OER中间体的吸附能和反应路径。这种结构特征使得Fe³⁺成为OER反应中的主要活性位点，而Ni则主要提供电子导电性和高比表面积。
此外，Fe基催化剂的电子结构也对其催化性能产生重要影响。例如，Fe–N–C单原子催化剂通过优化Fe³⁺的电子结构，显著降低了OER过电位。Shen等人通过吸附-氧化策略将Fe(II)原子锚定在超薄TiO₂纳米带中，协同降低自旋态（ε_g填充~1.08），从而增强与含氧中间体的吸附并提高电导率以降低欧姆损耗。这种策略不仅提高了催化活性，还增强了催化剂的稳定性。
Fe基催化剂的催化性能优化策略
为了进一步提升Fe基催化剂的OER性能，研究者们采用了多种策略，包括元素掺杂、缺陷工程、结构调控等。
（1）元素掺杂
元素掺杂是优化Fe基催化剂性能的重要手段。例如，在Ni-Fe氧化物/氢氧化物中，Fe³⁺的引入显著提高了OER活性。Trotochaud等人发现，Fe³⁺的掺杂不仅优化了电子结构，还通过部分电荷转移激活效应增强了Ni的催化活性。
此外，Zn-掺杂赤铁矿（α-Fe₂O₃）在碱性溶液中的OER性能优于最先进的hematite-mediated OER催化剂，这可能与一种替代的机理途径有关，包括一种热力学有利的PCET（质子-电子耦合转移）过程。这种非氧化还原掺杂机制为Fe基催化剂的设计提供了新的思路。
（2）缺陷工程
缺陷工程通过引入氧空位或金属阳离子空位，调节材料的电子结构和提供意想不到的活性位点，从而优化OER性能。例如，Fe₂O₃@CeO₂异质结通过引入氧空位和Ce³⁺掺杂，显著提高了OER活性。
实验和理论研究表明，这种缺陷结构不仅优化了中间体的吸附能，还降低了反应的活化能。此外，FeCo合金在磁场作用下表现出优异的OER性能，这可能与磁致伸缩引起的应变有关。这种应变效应可能是磁场增强催化性能的主要原因。
（3）结构调控
结构调控是优化Fe基催化剂性能的另一重要策略。例如，NiFe-LDH（层状双氢氧化物）通过纳米片形貌和高比表面积，显著提高了OER活性。
Gong等人合成的NiFe-LDH纳米片在碱性溶液中表现出优异的OER性能，其过电位仅为256 mV @ 10 mA cm⁻²，优于商业RuO₂和大多数MOF基催化剂。此外，FeCo合金通过自重构形成大量的铁/镍（氧）氢氧化物，显著提高了OER活性。这种自重构机制为设计高效OER催化剂提供了新的思路。
Fe基催化剂的实际应用与性能评估
Fe基催化剂在实际应用中表现出良好的稳定性和成本效益。例如，Fe₂O₃@CeO₂异质结在1000次循环后仍保持了91.9%的初始电流密度，显示出优异的长期稳定性。此外，FeCo合金在两电极水裂解设置中，仅需1.463 V即可实现10 mA cm⁻²的电流密度。这些性能使其成为工业应用的理想候选材料。
在性能评估方面，Fe基催化剂的OER性能通常通过过电位、塔菲尔斜率和质量电流密度等参数进行评估。例如，Fe3C/Fe@NC NTs-NCNFs催化剂在1 M KOH溶液中表现出过电位为0.284 V，质量电流密度为0.018 A/cm²geom，塔菲尔斜率为56 mV/dec。这些数据表明其在OER中具有优异的催化性能。
结论
Fe基催化剂在OER中表现出优异的性能，因其成本低、资源丰富且具有良好的电化学活性。通过元素掺杂、缺陷工程和结构调控等策略，Fe基催化剂的催化性能得到了显著提升。未来的研究应进一步优化Fe基催化剂的结构和性能，以满足工业应用的需求。