Machine-learning-guided tungsten single atoms promote oxyhydroxides for noble-metal-free water electrolysis

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作者
Junsu Kim,Ik Seon Kwon,Jiheon Lim,Sol A Lee,Woo Seok Cheon,Jin Hyuk Cho,Sung Hyuk Park,Yeong Jae Kim,Mi Gyoung Lee,Ki Chang Kwon,Sun Hwa Park,Soo Young Kim,Ho Won Jang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-68735-3
摘要

Lowering the overpotential of oxygen evolution reaction with electrocatalysts is essential for efficient renewable-electricity-driven electrolysis. Active noble-metal catalysts suffer from leaching and scarcity, while non-noble alternatives face limited intrinsic activity. Here we combine computational guidance with experimental validation to identify atomically dispersed tungsten within NiFe oxyhydroxide, namely W1-NiFeOOH, as a promising noble-metal-free oxygen evolution reaction catalyst. An equivariant transformer-based machine-learning interatomic potential accelerates out-of-domain adsorption energy predictions and nominates W1-NiFeOOH from 3,976 single-atom-incorporated metal oxyhydroxide configurations. Cyclic-electrodeposited W1-NiFeOOH achieves a high current density of 13.1 A cm-2 at 2.0 V and remains stable for 500 hours in alkaline exchange-membrane water electrolysis with commercial membranes. In situ spectroscopy and density functional theory calculations suggest that subsurface W promoter induces synergistic electron redistribution at neighboring Ni-O-Fe edge active sites, thereby lowering the proton-coupled electron-transfer barrier for the deprotonation step and facilitating transformation into the active γ-phase. This integrated computational-experimental workflow provides a blueprint for cost-effective catalyst design for sustainable energy systems.
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