Tuning overall water dissociation performance in Fe–Ni–Co layered hydroxides via S, P, and B doping: Experimental and theoretical study

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作者
Mohsen Saeidi,Amir Hossein Aghaii,Kaivan Mohammadi,Farzaneh Shayeganfar,Jing Yang Bai,Abdolreza Simchi
出处
期刊:Materials today sustainability [Elsevier BV]
卷期号:33: 101280-101280
标识
DOI:10.1016/j.mtsust.2025.101280
摘要

Alkaline water electrolysis (AWE) remains limited by sluggish reaction kinetics, high overpotentials, and insufficient catalyst stability. Here, we introduce an engineered hierarchical electrocatalyst in which (B, P, S)-modulated Fe–Ni–Co layered double hydroxides (LDHs) are grown on 3D-printed 316L stainless-steel microarrays with an interface of nickel nanocones (NC) to maximize active surface area and enhance mass transport. Density functional theory indicates that boron substitution at Fe sites balances oxygen-evolution reaction (OER) intermediate binding energies, creating a fully downhill free-energy profile and reducing the OER barrier. Phosphorus incorporation on Ni sites tunes the hydrogen adsorption energy toward near-thermoneutral values, optimizing hydrogen-evolution reaction (HER) kinetics. X-ray photoelectron spectroscopy confirms strong interfacial interactions, reduced oxygen vacancies, and optimized metal–anion bonding, facilitating enhanced charge transfer. The optimized asymmetric electrolyzer delivers 500 mA cm −2 at 1.93 V with Faradaic efficiencies exceeding 79 %, demonstrating a scalable route to efficient and durable AWE. • B-LDH/NC/SS achieves superior OER performance with low overpotentials and Tafel slopes. • P-LDH/NC/SS demonstrates exceptional HER activity with minimal overpotentials. • The B-LDH/NC/SS .|| P-LDH/NC/SS cell excels at water splitting with 2.03 V at 500 mA cm −2 . • DFT reveals boron incorporation optimizes electronic structure for enhanced OER. • Phosphorus promotes favorable H adsorption, lowering energy barriers for HER.
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