通过过渡金属掺杂增强GaOOH纳米片上的水分解动力学

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Boosting Water Dissociation Kinetics on GaOOH Nanosheets by Transition Metal Doping

铁掺杂氧化亚铼（Fe-GaOOH）通过水热法合成于镍泡沫基底，在1M KOH中实现10 mA cm-2电流密度下73 mV超低过电位，200小时稳定性优异，集成电解水装置仅需1.57 V电压。原位实验与DFT计算表明Fe掺杂增强氧吸附H2的电子供应及H覆盖度，降低水分解与氢脱附能垒，揭示过渡金属掺杂对电催化性能的普遍调控作用。

　　

开发高效且成本低廉的水分解电催化剂一直是将电能转化为清洁氢能源的关键目标。本文采用水热法在镍泡沫上合成了掺铁的GaOOH（Fe-GaOOH）。所得Fe-GaOOH在1 M KOH介质中表现出极高的氢 evolution 反应（HER）活性，过电位仅为73 mV@10 mA cm^–2。此外，该催化剂还具备优异的稳定性，在10 mA cm^–2的电流下可稳定运行200小时。当将其集成到水电解器中时，Fe-GaOOH自支撑电极仅需1.57 V的电池电压即可达到10 mA cm^–2的电流密度。原位实验和密度泛函理论计算表明，Fe-GaOOH能够向吸附H₂O的氧原子提供更多电子，同时提高氧原子的*H覆盖度，从而降低水分解和氢脱附的能量障碍，进而促进HER反应。研究发现，Co、Ni和Mn等掺杂元素在GaOOH中也具有类似的效果，这说明过渡金属掺杂是调节催化剂性能的普遍因素。