铁基表面及合金材料水分子吸附行为的密度泛函理论研究及其在绿色氢能催化中的应用

为降低电解水制氢成本并替代稀缺贵金属催化剂，研究人员采用密度泛函理论（DFT）系统研究了水分子在铁、铁钴和铁镍合金表面的吸附行为。通过计算Gibbs自由能、电子态密度（PDOS）和分子动力学模拟，发现(110)晶面吸附最稳定，镍掺杂可增强铁原子电子态密度，促进水分子吸附。该研究为开发高效廉价电解水催化剂提供了理论依据。

　　

全球能源需求预计到2030年将增长50%，而化石燃料的持续使用导致温室气体（GHG）浓度攀升，加速气候变化。绿色氢能作为零碳排放的清洁能源，其电解水制备技术因依赖铂、铱等稀缺贵金属催化剂而成本高昂，制约大规模应用。寻找储量丰富、价格低廉的替代催化材料成为破解这一困局的关键。铁作为地壳中第四丰富的元素，其与钴、镍形成的合金在催化领域展现潜力，但传统实验方法筛选材料耗时耗力。

针对这一挑战，来自巴西的研究团队Gizele N. Castro等采用基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的计算模拟方法，系统探究了水分子在纯铁及铁钴（Fe-Co）、铁镍（Fe-Ni）合金表面的吸附行为。研究通过剑桥串行总能量包（CASTEP）软件构建金属表面模型，采用广义梯度近似（GGA-PBE）泛函计算电子结构，结合分子动力学模拟确定最优吸附位点。该成果发表于《Journal of Molecular Liquids》，为设计高效廉价电解水催化剂提供了重要理论指导。

关键技术方法包括：1）采用DFT计算金属表面电子态密度（PDOS）；2）利用分子动力学模拟水分子吸附过程；3）通过Gibbs自由能（ΔG_adsorption）评估吸附自发性；4）构建不同晶面（110）、（100）、（111）的超胞模型比较稳定性。

Computational details
研究采用3×3×1 Monkhorst-Pack网格划分k点，截断能设为581 eV。通过几何优化确定最稳定构型，并计算过渡态能量以验证吸附路径。

Determining the Gibbs energy for the systems
所有体系的ΔG_adsorption均为负值，证实吸附过程自发进行。纯铁与Fe-Ni合金表现出更强的吸附能力，其中(110)晶面Gibbs自由能最低（-0.42 eV），显著优于(100)和(111)晶面。镍原子掺杂使相邻铁原子的PDOS增加27%，在Fe-Ni间隙位点形成电子态密度富集区，促进水分子吸附。

Conclusions
(110)晶面因原子空间排列优势成为最优吸附界面。镍掺杂通过电子调控机制增强铁活性位点，而水分子吸附会消耗铁原子的电子态密度，证实电荷转移机制。该研究首次从电子层面揭示铁基合金催化水分解的初始步骤，为替代贵金属催化剂提供了明确的设计策略：优先选择(110)晶面并引入镍原子调控电子结构。

这项工作的科学价值在于：1）建立铁基材料吸附性能的晶面依赖性规律；2）阐明合金元素通过电子再分布提升催化活性的机制；3）开发出可推广至其他过渡金属研究的DFT分析框架。未来研究可结合实验验证这些预测，并探索铁基材料在实际电解槽中的长期稳定性问题。