一次能源供应的减少及其对环境的危害是推动寻找可持续能源替代品的重要原因，这促进了绿色高效可再生能源系统的发展。传统能源系统主要依赖不可再生资源，不仅存在供应有限的问题，还是温室气体排放和生态退化的主要来源[1,2]。由于氢能源具有多种生产途径、零碳排放和强大的能量密度，它已成为能源转型的关键驱动力。水电解是一种前景广阔的氢生产技术，其过程简单，产物纯度高，易于与太阳能和潮汐能等可持续能源结合，从而为生产“绿色氢气”提供了显著优势[3,4]。水电解的基本过程包括氢演化反应（HER）和氧演化反应（OER）。与HER相比，OER具有热力学要求高、电子转移多步骤的特点，导致能量障碍较大，因此动力学较慢。因此，提高OER电催化剂的效率对于提升水分解方法的整体可行性至关重要。
目前商业电解槽技术中，贵金属基化合物（尤其是IrO?和RuO?）仍是OER的主要催化剂。然而，它们的高昂成本和天然稀缺性阻碍了其广泛应用[8,9]。因此，设计经济实惠的非贵金属OER催化剂对于推动电解制氢的规模化应用至关重要。近年来，基于过渡金属（尤其是铁、钴和镍的氧化物及氢氧化物）的催化剂受到了越来越多的学术关注。这些材料在研究领域受到青睐，因为它们不仅地球上储量丰富且成本低廉，还具有可调的电子结构[10, [11], [12]]。其中，镍铁基材料表现出协同效应，能够优化电子结构、提高电荷转移效率并增强稳定性，从而在OER催化性能上优于单一金属镍基材料[13], [14], [15]]。
镍铁催化剂研究领域取得了显著进展。例如，Xing等人[16]通过电沉积法合成了NiFe LDH-WN，该催化剂在50 mA cm?2电流密度下表现出228 mV的过电位，并在50 mA cm?2电流密度下保持了超过4500小时的稳定性。Muhammad Israr等人[17]通过蚀刻和共沉淀法合成了NiFe LDH空心纳米笼，并进一步将Ru单原子限制在纳米笼内，制备出Ru-SAC/NiFe LDH。这种独特结构的催化剂在OER中表现出优异的性能，提供了丰富的活性位点并优化了电解质相互作用界面，在196 mV的过电位下可实现10 mA cm?2的电流密度，并在10 mA cm?2电流密度下保持了120小时的稳定运行且活性几乎没有下降。Shi等人[18]报道了一种新型的Co和W共掺杂NiFe LDH催化剂，优化后的Co?.8, W?.8-NiFe LDH在1000 mA cm?2电流密度下表现出优异的碱性OER活性（255 mV）。值得注意的是，该催化剂在1.86 V的电压下可输出1.0 A cm?2的电流，并在AEMWE电池中保持了300小时的稳定运行。
已有多种方法用于合成镍铁基催化剂，包括水热/溶热法[19]、电化学沉积[20]、电纺[21]、溶胶-凝胶[22]、共沉淀[23]和微波合成[24]。其中，水热法在制备镍铁基催化剂方面显示出显著优势。该方法能够精确控制纳米结构，从纳米片到三维层次结构均可实现，并通过原子级混合确保成分均匀性。此外，该方法还促进了表面缺陷结构的形成，有助于优化电子结构和增强质量传递，对于开发高性能催化剂至关重要。
此外，向NiFe LDH中引入第三种金属元素是提高其催化活性的有效途径。在各种掺杂剂中，铜特别具有潜力，因为它能够调节内部结构、创造额外的活性位点，并提升导电性和结构稳定性[25]。然而，在实际合成过程中，Cu2?、Ni2?和Fe3?之间的离子半径、电负性和水解行为差异往往导致掺杂不均匀、相分离、价态控制不佳和形态不稳定等问题，这些因素严重限制了铜掺杂的优势。因此，实现铜的有效均匀掺入并精确调控其价态和分布仍是一个关键挑战。
为了解决上述问题，本研究采用了一种可控的一步水热共沉淀策略。该方法使Cu原子能够原位嵌入NiFe-LDH的层状晶格中，而不是简单的表面吸附或形成独立相，从而从热力学上抑制了元素分离。近期研究通过多种方法探索了金属原子掺杂：例如，通过高温固态反应调节Cu的局部配位环境以优化电子结构，或通过多步电化学沉积构建异质界面以增强电荷转移[26,27]。尽管这些方法取得了积极成果，但它们面临工艺复杂性或均匀性控制的挑战。相比之下，本文采用的水热生长方法专注于在单一反应过程中协同调控掺杂元素的空间分布和材料的纳米形态。我们证明了这种方法能够制备出Cu价态稳定、元素分布均匀、具有三维（3D）开放纳米片阵列形态的催化剂。这为充分发挥铜掺杂的理论优势提供了理想的材料基础——如定制电子结构、创造高密度活性位点和确保结构稳定性。
本研究系统地探讨了铜、镍和铁在层状双氢氧化物中的协同效应。通过在水热法中加入不同量的铜，合成了具有可控铜含量的催化剂系列，得到了多种Cu掺杂的NiFe LDH材料。通过电化学分析（如过电位、塔菲尔斜率和电荷转移电阻测量），结合涉及吉布斯自由能和态密度的理论计算，证实了最佳Cu掺量可以引入更多活性位点，显著扩大活性表面积，并大幅提高催化活性。理论计算进一步证实，Cu的掺入可以引入“电子供体协同机制”，改变决定反应速率的步骤（RDS），从而降低理论过电位。本研究阐明了Cu掺杂在促进NiFe LDH电催化活性中的重要性，并为掺杂策略的合理设计提供了基本原理。这些发现为开发高效的多组分OER电催化剂提供了宝贵的指导。
