铁掺杂优化电子结构：三维FeCoAl-LDH电催化剂在高效水分解中的协同机制

本研究针对电解水制氢过程中高能耗难题，通过水热-离子交换法创新构建了Fe掺杂CoAl层状双氢氧化物（FeCoAl-LDH）三维电催化剂。实验证实Fe3+掺杂诱导电荷重分布，形成Fe3+-O-Co2+/Co3+电子传输通道，显著降低HER（213.25 mV@100 mA/cm2）和OER（389.97 mV）过电位，为设计非贵金属双功能催化剂提供新范式。

　　

全球能源危机与环境问题日益严峻，氢能因其142 kJ·g^?1的高能量密度和零碳排放特性成为石油燃料的理想替代品。电解水制氢技术虽前景广阔，但受制于析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的高过电位，亟需开发高效非贵金属电催化剂。传统铂基和铱/钌氧化物催化剂因成本高昂难以普及，而过渡金属化合物如层状双氢氧化物（LDH）因其可调电子结构和丰富活性位点备受关注。然而，CoAl-LDH存在导电性差、活性位点有限等缺陷，制约其催化性能。

天津城建大学材料科学与工程学院的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，通过水热-离子交换法在泡沫镍基底上构建了铁掺杂的三元FeCoAl-LDH电催化剂。该工作创新性地利用Fe³⁺掺杂触发电子重构，形成动态Fe³⁺/Fe²⁺–Co³⁺/Co²⁺氧化还原对，使催化剂在1.0 M KOH中仅需213.25 mV（HER）和389.97 mV（OER）过电位即可达到100 mA/cm²电流密度，显著优于未掺杂CoAl-LDH的241.58 mV和678.84 mV。

关键技术包括：水热合成法构建三维纳米片结构，离子交换法实现Fe³⁺精准掺杂；通过SEM/TEM表征材料形貌，XPS分析电子结构变化；电化学工作站测试HER/OER性能；密度泛函理论（DFT）计算揭示Fe掺杂对中间体吸附能的调控机制。

【结构及性能】
扫描电镜显示FeCoAl-LDH呈现三维分级纳米片结构（图2a），比表面积达154.7 m²/g。X射线光电子能谱（XPS）证实Fe³⁺掺杂引起Co 2p轨道结合能正移0.8 eV，表明电子从Co向Fe转移。拉曼光谱中470 cm^?1处新出现的Fe-O-Co振动峰验证了异质金属键合。

【催化机理】
DFT计算表明Fe掺杂使Co位点的d带中心上移0.3 eV，优化*OH/*O吸附自由能（ΔG_*OH降低0.15 eV）。原位电化学阻抗谱显示FeCoAl-LDH电荷转移电阻（R_ct）仅为3.2 Ω，比CoAl-LDH降低72%。

【结论与意义】
该研究通过原子级Fe掺杂实现了三重突破：①构建Fe³⁺-O-Co²⁺/Co³⁺"电子泵"效应，加速电荷传输；②优化中间体吸附强度，OER能垒降低1.2 eV；③维持500小时电解后活性保持率96.7%。这种电子结构调控策略可拓展至其他过渡金属掺杂体系，为设计多组分LDH催化剂提供普适性方案，推动绿色制氢技术产业化进程。