氧化镍（NiO）是电催化领域**产业化潜力的非贵金属催化材料，依托其价态可调（Ni²⁺/Ni³⁺/Ni⁰）、氧空位易调控、与载体协同性强、成本低廉的特性，成为贵金属催化剂（IrO₂、RuO₂、Pt/C）的核心替代选择。其电催化活性源于晶格氧参与的氧化还原循环、表面缺陷位点的电荷转移能力，以及与掺杂元素 / 载体形成的复合活性中心，主要应用于电解水、CO₂电还原、氮还原（NRR）、氧还原（ORR） 等核心电催化反应，且以非均相复合催化剂（掺杂 / 负载型）为主，解决了纯 NiO 导电性差、反应过电位高的问题。以下按核心电催化反应类型展开，明确各场景的催化机制、改性策略、性能指标及产业化进展，同时梳理技术痛点与优化方向。

一、 电催化析氧反应（OER）——NiO 电催化的核心应用领域

析氧反应是电解水制氢、金属 - 空气电池、CO₂电还原的阳极核心反应，因反应涉及 4 电子 / 4 质子转移，存在过电位高、动力学缓慢的问题，传统依赖 IrO₂/RuO₂贵金属催化剂。NiO 基催化剂通过掺杂 / 复合改性，可大幅降低 OER 过电位，性能接近贵金属，是目前产业化布局最成熟的 NiO 电催化应用方向。

1. 催化机制

NiO 在碱性电解液（如 KOH）中发生表面价态转变，生成NiOOH（羟基氧化镍） 作为实际 OER 活性中心

2. 核心改性策略与性能指标

纯 NiO 导电性差（本征电导率≈10⁻¹² S/cm）、单一位点活性有限，改性以提升导电性、增加活性位点、降低过电位为核心。

3. 应用场景与产业化进展

碱性电解水制氢：作为阳极催化剂，与阴极 Pt/C 或 Ni 基 HER 催化剂匹配，组成碱性电解槽，适配绿电（光伏 / 风电）耦合制氢，目前Fe-Co 共掺杂 NiO / 石墨烯催化剂已在国内电解水制氢中试线应用，单槽产氢量可达 10 Nm³/h，成本较 IrO₂催化剂降低 90% 以上。

金属 - 空气电池：作为锌 - 空气、铝 - 空气电池的空气电极催化剂，替代 Pt/C-IrO₂双功能催化剂，提升电池放电容量和循环稳定性，已实现小型纽扣电池产业化。

二、 电催化析氢反应（HER）—— 低成本辅助催化选择

析氢反应是电解水制氢的阴极反应，核心要求催化剂能高效解离 H₂O / 吸附 H * 并脱附 H₂，传统主流催化剂为 Pt/C。NiO 本身 HER 活性较弱，极少作为 HER 主催化剂，主要通过还原改性、复合贵金属 / 硫化物、构建异质结作为低成本辅助催化剂，或用于制备 Ni 基合金催化剂（如 Ni-NiO/C），大幅降低 Pt 用量。

1. 催化机制

NiO 经电化学还原或预还原生成Ni⁰纳米颗粒，作为 HER 活性中心，NiO 则作为载体 / 助剂，调控 Ni⁰的电子结构，优化 H的吸附自由能（避免 H过度吸附导致的脱附困难）；与硫化物（CoS₂、MoS₂）复合时，形成 NiO-MoS₂界面，协同降低 HER 能垒。

2. 典型改性方案与性能

Pt 低载复合：NiO / 石墨烯负载微量 Pt（Pt 含量＜1 wt%），NiO 的电子效应提升 Pt 的 HER 活性，性能接近纯 Pt/C，Pt 用量降低 90%，过电位＜50 mV（10 mA/cm²）。

硫化物复合：NiO/CoS₂异质结，CoS₂为 HER 主活性中心，NiO 加速电荷转移，在碱性电解液中过电位≈120 mV（10 mA/cm²），循环稳定性＞500 h。

还原型 Ni-NiO/C：NiO 部分还原为 Ni⁰，形成 Ni⁰-Ni²⁺界面，在中性 / 碱性电解液中 HER 活性优于纯 NiO，过电位≈150 mV（10 mA/cm²），适用于低成本中性电解水体系。

3. 应用特点

NiO 基 HER 催化剂核心优势为低成本、与碱性 OER 催化剂兼容性好，主要应用于碱性 / 中性电解水制氢的阴极，或与 NiO 基 OER 催化剂组成全 NiO 基双功能电催化剂，用于小型电解水装置和金属 - 空气电池，虽活性不及 Pt/C，但能满足低功率、低成本场景的需求。

三、 电催化 CO₂还原反应（CO₂RR）—— 高选择性制 C1 产物的研发热点

CO₂电还原是将温室气体 CO₂转化为 CO、甲酸、甲醇、甲烷等高附加值燃料 / 化学品的绿色路径，核心挑战是CO₂活化难、产物选择性低、易发生析氢副反应。NiO 基催化剂凭借对 C1 产物（CO / 甲酸）的高选择性，成为 CO₂RR 的重要研发方向，且通过改性可有效抑制 HER 副反应，提升 CO₂转化效率。

1. 催化机制与产物选择性

NiO 对 CO₂的吸附为化学吸附，表面 Ni²⁺与 CO₂的 O 原子配位，弱化 C=O 键实现活化；氧空位可进一步提升 CO₂吸附量和活化程度，核心产物为CO（主流） 和甲酸，极少生成 C2 + 产物（如乙烯、乙醇），原因是 NiO 难以实现 C-C 偶联，这一特性使其成为高选择性制 CO的理想催化剂。

2. 核心改性策略

NiO 基 CO₂RR 催化剂的改性以提升 CO₂活化能力、抑制 HER 副反应、增加产物选择性为核心，主流方案：

非金属掺杂：N/S/P 掺杂 NiO，调控电子结构，增强 CO₂吸附的同时降低 H₂O 的吸附能，抑制 HER，CO 选择性＞90%。

碳材料限域：NiO 纳米颗粒限域于多孔碳 / NCNTs 孔道中，碳材料的疏水性能减少 H₂O 与活性位点接触，同时加速 CO 脱附，避免积碳，CO 法拉第效率＞95%。

异质结构建：NiO/In₂O₃、NiO/SnO₂，异质结界面调控 CO₂的吸附构型，提升 CO 选择性，同时 In/Sn 可抑制 HER，CO 法拉第效率＞92%。

形貌调控：NiO 超薄纳米片 / 量子点，增加表面活性位点，提升 CO₂转化效率，电流密度可达 200 mA/cm²。

3. 研发现状

目前 NiO 基 CO₂RR 催化剂处于实验室研发向中试推进阶段，**性能为：CO 法拉第效率＞95%，部分电流密度＞300 mA/cm²，稳定性＞100 h；核心应用方向为工业废气 CO₂定向制 CO，CO 可进一步通过费托合成制甲醇、汽油，构建碳循环体系。

四、 电催化氮还原反应（NRR）—— 常温常压合成氨的潜力方向

电催化氮还原是在常温常压下将 N₂还原为 NH₃的绿色合成氨技术，替代传统高能耗的哈伯 - 博施法，核心挑战是 N≡N 键能极高（941 kJ/mol）、活化难，且易发生 HER 副反应，NH₃产率和法拉第效率偏低。NiO 基催化剂凭借对 N₂的吸附活化能力，成为 NRR 的重要非贵金属催化剂，目前处于实验室技术突破阶段。

1. 催化机制

NiO 表面 Ni²⁺为 N₂吸附活化位点，通过末端吸附或侧式吸附与 N₂结合，弱化 N≡N 键；氧空位作为电荷转移位点，向 N₂的反键轨道注入电子，进一步活化 N₂；随后经逐步加氢生成 NH₃，核心避免 HER 副反应（H与 N竞争活性位点）。

2. 典型改性方案与性能

纯 NiO NRR 活性低、HER 副反应严重，改性以增强 N₂活化、抑制 HER为核心：

贵金属低载：NiO 负载微量 Pt/Pd（＜0.5 wt%），Pt/Pd 为 N₂活化核心位点，NiO 作为载体调控电子结构，NH₃产率可达 10⁻⁸ mol・s⁻¹・cm⁻²，法拉第效率＞15%。

氧空位调控：通过高温还原 / 等离子体处理引入高浓度氧空位，增强 N₂吸附活化，同时调控 NiO 表面亲疏水性，抑制 H₂O 吸附，NH₃法拉第效率提升至 20% 以上。

碳材料复合：NiO/N 掺杂多孔碳，N 掺杂碳的吡啶 N 可吸附 N₂，NiO 提供加氢活性位点，协同提升 NRR 性能，NH₃产率≈8×10⁻⁹ mol・s⁻¹・cm⁻²。

3. 技术痛点

目前 NiO 基 NRR 催化剂的核心问题是 NH₃产率和法拉第效率偏低（远低于产业化要求），且 HER 副反应难以完全抑制，未来需通过精准的电子结构调控和表面改性，进一步提升 N₂的选择性吸附和活化能力。

五、 电催化氧还原反应（ORR）—— 金属 - 空气电池的辅助选择

氧还原反应是金属 - 空气电池、燃料电池的阴极核心反应，分为 4 电子路径（生成 OH⁻，适配碱性体系）和 2 电子路径（生成 H₂O₂），传统催化剂为 Pt/C。NiO 本身 ORR 活性较弱，主要作为复合催化剂的助剂，与碳材料、过渡金属氧化物（Co₃O₄、MnO₂）或低载 Pt 复合，提升 ORR 活性和稳定性，替代部分 Pt/C 催化剂。

1. 典型改性方案

NiO/Co₃O₄/ 石墨烯：形成双金属氧化物 - 碳复合结构，协同提升 ORR 活性，在碱性电解液中半波电位≈0.80 V（vs RHE），接近 Pt/C（0.85 V），可作为锌 - 空气电池空气电极催化剂，电池放电比容量＞700 mAh/g。

N 掺杂碳 / NiO：N 掺杂碳为 ORR 主活性中心，NiO 提升电子转移速率，抑制碳材料腐蚀，循环稳定性＞500 次，成本较 Pt/C 降低 80%。

2. 应用特点

NiO 基 ORR 催化剂暂无法替代 Pt/C 用于燃料电池，主要应用于碱性锌 - 空气电池的空气电极，与 NiO 基 OER 催化剂组成双功能催化剂，简化电池结构，降低成本，已实现小型民用锌 - 空气电池的产业化。

六、 NiO 基电催化剂的通用改性策略

纯 NiO 存在导电性差、单一活性位点有限、反应过电位高、易团聚失活等固有问题，所有电催化应用方向的改性均围绕4 大核心策略展开，且需与具体反应的特性匹配（如 OER 侧重氧空位调控，CO₂RR 侧重抑制 HER）：

元素掺杂：过渡金属（Fe/Co/Mn）掺杂为主，非金属（N/S/P）掺杂为辅，核心是调控电子结构、增加氧空位浓度、降低反应能垒；

碳材料复合：与石墨烯、碳纳米管、多孔碳、N 掺杂碳复合，核心是提升电导率、锚定活性颗粒、抑制团聚，同时形成界面活性中心；

异质结构建：与 Ni (OH)₂、Co₃O₄、MoS₂、In₂O₃等构建异质结，核心是形成内建电场，加速电荷分离与转移，优化反应物 / 中间体的吸附动力学；

形貌与缺陷调控：制备纳米片、纳米棒、空心球、超薄量子点等特殊形貌，暴露高活性晶面，提升比表面积；通过高温还原、等离子体、刻蚀等引入氧空位，增加活性位点。