镍铁（NiFe）基电催化剂在碱性水电解工业应用中面临一个关键挑战，即Fe3+溶解问题。
2025年7月16日，南京大学闫世成在Advanced Functional Materials期刊发表题为《Stepping Electric Field Enables Durable Water Electrolysis》的研究论文，Xupin Yang、Yu Du为论文共同第一作者，闫世成为论文通讯作者。
在本文中，作者通过制备Fe/FeNi3@NiFeOOH异质结实现了突破性的工业级性能，展示出超低的过电位（100 mA cm-2电流密度下仅200 mV）和前所未有的稳定性（70 °C、1.7 V 条件下稳定运行超过1800 h）。
其卓越稳定性源于两个协同效应：一是通过静电限制稳定低价态Fe物种的阶梯界面电场；二是通过电解液中痕量Fe离子（ppm级）的上坡扩散维持动态界面平衡。
本研究为高稳定性电催化剂提供了根本性设计策略，为工业规模水电解的实用化奠定了基础。
图1：Fe3+溶出机理与抑制策略示意图。（a）传统认识：Fe3+因[FeO4]2-生成和Fe-O键弱而溶出；常用保护层或增强Fe-O键能抑制溶出。（b）本文策略：构筑阶梯式界面电场，将NiFeOOH中的Fe稳定在低价态Fex+(24]2-；同时利用电解液中ppm级Fe3+的“上坡扩散”维持界面动态平衡。
图2：Fe/FeNi3@NiFeOOH结构表征。（a）XRD证实FeNi3合金与NiFeOOH共存。（b）SEM显示FeNi3八面体被NiFeOOH纳米片包覆的层级形貌。（c-e）TEM及高分辨像展示晶体NiFeOOH(040)晶面间距0.252 nm。（f）HAADF-STEM元素分布图表明Ni、Fe、O均匀分布。（g、h）XPS显示Fe呈低价Fex+(22+；1800 h后价态几乎不变。
图3：电化学性能。（a）室温LSV：Fe/FeNi3@NiFeOOH在100 mA cm-2仅需≈200 mV过电位，优于对照样。（b）变温LSV：随温度升高曲线平行左移，40°C出现动力学转折点。（c）变温EIS：Rct1随温度降低，表明电子转移加快；C1增大对应活性物种增多。（d）70 °C、1.7 V下恒电位测试：连续运行1800 h电流衰减仅5.7%。
图4：稳定性机理。（a）功函数差异：Fe(4.59 eV)、FeNi3(4.74 eV)、NiFeOOH(7.39 eV)形成梯度电场，稳定低价Fe。（b-d）ICP-MS跟踪电解液Fe3+浓度：无Fe电解液中，Fe3+逐渐达到0.3 ppm平衡；含0.3 ppm Fe3+电解液中浓度稳定。（e）开路电位衰减：含Fe3+电解液中衰减更慢且出现能级波动，证实上坡扩散。（f）示意图：阶梯电场和Fe3+上坡扩散协同实现长期稳定。
综上，作者设计并制备了Fe/FeNi3@NiFeOOH层级异质结，通过构筑阶梯式界面电场和电解液ppm级Fe3+的上坡扩散协同机制，在70 °C、1.7 V下实现1800 h超长稳定碱性析氧，仅需200 mV@100 mA cm-2过电位。
本研究成果从根本上解决了NiFe催化剂Fe3+溶出难题，为低成本、高稳定工业水电解制氢提供了可直接放大的技术路线。
Stepping Electric Field Enables Durable Water Electrolysis. Adv. Funct. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202512057.
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