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Gd‐Induced Oxygen Vacancy Creation Activates Lattice Oxygen Oxidation for Water Electrolysis

材料科学 非阻塞I/O 过电位 氧气 析氧 分解水 密度泛函理论 电解水 电解 催化作用 化学工程 无机化学 电化学 电极 物理化学 计算化学 光催化 有机化学 化学 电解质 生物化学 工程类
作者
Yong Wang,Yadong Liu,Sijia Liu,Yunpu Qin,Jianfang Liu,Xue Jia,Qiuling Jiang,Xuan Wang,Yongzhi Zhao,Luan Liu,Hongru Liu,Hong Zhao,Yirui Jiang,Liang Dong,Haoyang Wu,Baorui Jia,Xuanhui Qu,Hao Li,Mingli Qin
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (26) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/adfm.202500118
摘要

Abstract As a key reaction in water electrolysis and fuel cells, the oxygen evolution reaction (OER) involves a sluggish four‐electron proton transfer process. Understanding the OER pathways and kinetics is critical for designing efficient electrocatalysts. In this study, through density functional theory (DFT) calculations, it is demonstrated that the incorporation of Gd into Fe‐doped NiO elevates the O 2 p band center and generates more unoccupied oxygen states. Furthermore, Gd promotes the formation of oxygen vacancies, which, together, enhance the lattice oxygen oxidation mechanism (LOM) pathway for the OER. The adsorption‐free energy diagrams confirm that Gd doping significantly lowers the theoretical overpotentials at both the Fe and Ni sites in Fe‐doped NiO, thereby improving OER activity. Based on these findings, Gd and Fe co‐doped NiO ultrathin nanosheets are synthesized via spray combustion. As an OER catalyst, the material exhibited a low overpotential of 227 mV, which is 40 mV lower than that of Fe‐doped NiO, and demonstrated long‐term catalytic stability for over 150 h. In an anion exchange membrane water electrolysis system, Gd and Fe co‐doped NiO exhibited stable performance for more than 120 h at a current density of 20 mA cm −2 .
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