Магнитожидкостный бифункциональный электрокатализатор CoFeNi-MF/NF для высокоэффективного расщепления воды в щелочной среде

Разработка эффективных бифункциональных электрокатализаторов имеет ключевое значение для масштабируемого производства водорода методом полного расщепления воды. В данной работе катализатор CoFeNi-MF/NF, модифицированный магнитной жидкостью, был синтезирован двухстадийным гидротермальным методом путем интеграции магнитной жидкости на основе Fe₃O₄ в вертикально ориентированные нанолисты CoFeNi, выращенные на никелевой пене. Структурный анализ подтвердил формирование сплава CoFeNi с гранецентрированной кубической решеткой (FCC) в сочетании со шпинельной фазой Fe₃O₄, образующих взаимосвязанную архитектуру с большим количеством активных центров. Введение магнитной жидкости способствовало улучшению переноса заряда, увеличению содержания кислорода, а также усилению электронной и спиновой поляризации, что обеспечило ускоренную кинетику электрокаталитических реакций. В растворе 1,0 М KOH катализатор CoFeNi-MF/NF продемонстрировал низкие перенапряжения 169 мВ для реакции выделения водорода (HER) и 199 мВ для реакции выделения кислорода (OER) при плотности тока 10 мА·см⁻². Значения наклонов Тафеля составили 133,09 и 91,41 мВ·дек⁻¹ соответственно. Кроме того, катализатор характеризовался низким сопротивлением переносу заряда и увеличенной электрохимически активной площадью поверхности. Испытания на стабильность при плотности тока 100 мА·см⁻² в течение 24 часов подтвердили его высокую долговечность. Полученные результаты демонстрируют перспективность предложенного подхода для создания магниточувствительных бездрагоценных электрокатализаторов, предназначенных для эффективного щелочного электролиза воды.

1. Li J., Ma Y., Mu X., Vang X., Li Y., Ma H., Guo Z. Recent Advances and Perspectives on Coupled Water Electrolysis for Energy-Saving Hydrogen Production. Adv. Sci., 2025, 12, 2411964.

2. Amin M., Shah H.H., Bashir B., Iqbal M.A., Shah U.H., Ali M.U. Environmental Assessment of Hydrogen Utilization in Various Applications and Alternative Renewable Sources for Hydrogen Production: A Review. Energies, 2023, 16, 4348.

3. Gunathilake C., Soliman I., Panthi D., Tandler P., Fatani O., Ghulamullah N.A., Marasinghe D., Farhath M., Madhujith T., Conrad K., Du Y., Jaroniec M. A Comprehensive Review on Hydrogen Production, Storage, and Applications. Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 10900.

4. Nnabuife S.G., Hamzat A.K., Whidborne J., Kuang B., Jenkins K.W. Integration of Renewable Energy Sources in Tandem with Electrolysis for Green Hydrogen Production. Int. J. Hydrogen Energy, 2024, 49, P. 19874–19890.

5. Sebbani I., Ettouhami M.K., Boulakhbar M. Fuel Cells: A Technical, Environmental, and Economic Outlook. Clean. Energy Syst., 2025, 10, 100168.

6. Tuluhong A., Chang Q., Xie L., Xu Z., Song T. Current Status of Green Hydrogen Production Technology: A Review. Sustainability, 2024, 16, 9070.

7. Marouani I., Guesmi T., Alshammari B.M., Alqunun K., Alzamil A., Alturki M., Hadj Abdallah H. Integration of Renewable-Energy-Based Green Hydrogen into the Energy Future. Processes, 2023, 11, 2685.

8. Sebbahi S., Assila A., Alaoui Belghiti A., Laasri S., Kaya S., Hlil E.K., Rachidi S., Hajjaji A. A Comprehensive Review of Recent Advances in Alkaline Water Electrolysis for Hydrogen Production. Int. J. Hydrogen Energy, 2024, 82, P. 583–599.

9. Stambouli A.B. Fuel Cells: The Expectations for an Environmental-Friendly and Sustainable Source of Energy. Renew. Sustain. Energy Rev., 2011, 15 (9), P. 4507–4520.

10. Gao Y., Wang X., Meng X. Advanced Rectifier Technologies for Electrolysis-Based Hydrogen Production: A Comparative Study and Real-World Applications. Energies, 2025, 18, 48.

11. Zhang Y., Zhang Y., Li Z., Yu E., Ye H., Li Z., Guo X., Zhou D., Wang C., Sha Q., et al. A Review of Hydrogen Production via Seawater Electrolysis: Current Status and Challenges. Catalysts, 2024, 14, 691.

12. Osman A.I., Mehta N., Elgarahy A.M., Hefny M., Al Hinai A., Al Muhtaseb A.H., Rooney D.W. Hydrogen Production, Storage, Utilisation and Environmental Impacts: A Review. Environ. Chem. Lett., 2022, 20, P. 153–188.

13. Qadeer M.A., Zhang X., Farid M.A., Tanveer M., Yan Y., Du S., Huang Z.-F., Tahir M. A Review on Fundamentals for Designing Hydrogen Evolution Electrocatalyst. J. Power Sources, 2024, 613, 234856.

14. Lakhan M.N., Hanan A., Hussain A., Soomro I.A., Wang Y., Ahmed M., Aftab U., Sun H., Arandiyan H. Transition Metal-Based Electrocatalysts for Alkaline Overall Water Splitting: Advancements, Challenges, and Perspectives. Chem. Commun., 2024, 60, P. 5104–5135.

15. Hoppe A.C., Minke C. Reducing Environmental Impacts of Water Electrolysis Systems by Reuse and Recycling: Life Cycle Assessment of a 5 MW Alkaline Water Electrolysis Plant. Energies, 2025, 18, 796.

16. Lai F., Shang H., Jiao Y., Chen X., Zhang T., Liu X. Recent Progress and Perspective on Electrocatalysis in Neutral Media: Mechanisms, Materials, and Advanced Characterizations. Interdiscip. Mater., 2024, 3, P. 492–529.

17. Irshad H., Zia M., Al-Hajri R., Khattak Z.A.K., Al-Abri M., Ahmad N., Younus H.A. Electrocatalysts for Hydrogen and Oxygen Evolution Reactions under Neutral/Near-Neutral Conditions: Summary and Challenges. Int. J. Hydrogen Energy, 2025, 137, P. 1009–1041.

18. Tran D.T., Tran P.K.L., Malhotra D., et al. Current Status of Developed Electrocatalysts for Water Splitting Technologies: From Experimental to Industrial Perspective. Nano Converg., 2025, 12, 9.

19. Liu Y., Li P., Wang Z., Gao L. Shape-Preserved CoFeNi-MOF/NF Exhibiting Superior Performance for Overall Water Splitting across Alkaline and Neutral Conditions. Materials, 2024, 17, 2195.

20. Li Z., Lv Z., Liu X., Wang G., Lin Y., Xie G., Jiang L. Magnetic-Field Guided Synthesis of Highly Active Ni–S–CoFe2O4 Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction. Renew. Energy, 2021, 165, P. 612–618.

21. Zhu F., Wang Y., Chen Y., Wu M., Jiang W. Magnetic Field-Assisted Electrodeposition of Fe3O4 Nanoparticles on Ni as Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting. ACS Appl. Nano Mater., 2023, 6 (21), P. 19837–19847.

22. Ren X., Wu T., Sun Y., et al. Spin-Polarized Oxygen Evolution Reaction under Magnetic Field. Nat. Commun., 2021, 12, 2608.

23. Belgami M.A., Patra A., Jeong S.M., Rout C.S. Exploring the Synergy of Magnetism and Electrocatalysis: A Comprehensive Review on Mechanisms, Recent Developments and Future Perspectives. J. Mater. Chem. A, 2024, 12, P. 24005–24040.

24. Han C., Li W., Li W., Yang L., Huang Z. CoFeNi Based Trifunctional Electrocatalysts Featuring In-Situ Formed Heterostructure. Inorg. Chem. Commun., 2023, 149, 110402.

25. Sun Y., Lv H., Yao H., Gao Y., Zhang C. Magnetic Field-Assisted Electrocatalysis: Mechanisms and Design Strategies. Carbon Energy, 2024, 6 (10), e575.

26. Knoche Gupta K.L., Lee H.C., Leddy J. Magnetoelectrocatalysis: Evidence from the Hydrogen Evolution Reaction. ACS Phys. Chem. Au, 2024, 4 (2), P. 148–159.

27. Zhang Y., Guo P., Li S., Sun J., Wang W., Song B., et al. Magnetic Field Assisted Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction of Nickel-Based Materials. J. Mater. Chem. A, 2022, 10 (4), P. 1760–1767.

28. Jiang W., Li J., Chen Y., Zhu F., Yang Q. Ni/Ni-MoS2/Ni-MoS2-Fe3O4 Multilayer Electrode for Oxygen Evolution Reaction in Alkaline Medium. J. Alloys Compd., 2024, 1004, 175901.

29. Zhou W., Chen M., Guo M., Hong A., Yu T., Luo X., et al. Magnetic Enhancement for Hydrogen Evolution Reaction on Ferromagnetic MoS2 Catalyst. Nano Lett., 2020, 20 (4), P. 2923–2930.

30. Ma Y., Wu H., Jia M., Zhang Z., Wang J., Yue Z., et al. Construction of Iron Oxide Nanoparticles Modified with Angelica Sinensis Polysaccharide for the Treatment of Iron Deficiency Anemia. J. Nanopart. Res., 2024, 26 (11), 250.

31. Yuan Y., Jiang Z., Li M., Peng K. Magnetic Field Enhancing the Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction of FeMn-Based Spinel Oxides. ACS Appl. Energy Mater., 2023, 6 (15), P. 7865–7876.

32. Chen J.B., Ying J., Tian Y., Xiao Y.X., Yang X.Y. Electrocatalysis under Magnetic Fields. Adv. Funct. Mater., 2025, 35 (8), 2415660.

33. Ma S., Fu Q., Han J., Yao T., Wang X., Zhang Z., et al. Magnetic Field-Assisted Water Splitting: Mechanism, Optimization Strategies, and Future Perspectives. Adv. Funct. Mater., 2024, 34 (26), 2316544.

34. Saha S., Ganguli A.K. FeCoNi Alloy as Noble Metal-Free Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction (OER). ChemistrySelect, 2017, 2 (4), P. 1630–1636.

35. Yaseen W., Ullah N., Xie M., Yusuf B.A., Xu Y., Tong C., Xie J. Ni-Fe-Co Based Mixed Metal/Metal-Oxides Nanoparticles Encapsulated in Ultrathin Carbon Nanosheets: A Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting. Surf. Interfaces, 2021, 26, 101361.

36. Liu L., Zhang Z., Gu S., Liu Y., Deng Y., Li Y., Xiao Z., Liu K., Wu Z., Wang L. The Cobalt-Based Metal Organic Frameworks Array Derived CoFeNi-Layered Double Hydroxides Anode and CoP/FeNi2P Heterojunction Cathode for Ampere-Level Seawater Overall Splitting. J. Colloid Interface Sci., 2024, 676, P. 52–60.

37. Dai Z., Du X., Zhang X. The Synthesis of Ni-Co-Fe-Se@NiCo-LDH Nanoarrays on Ni Foam as Efficient Overall Water Splitting Electrocatalyst. J. Alloys Compd., 2023, 946, 169451.