Mo掺杂FeCo层状双氢氧化物与MXene协同构建内置电场实现高电流密度下高效水分解

　　针对过渡金属氢氧化物催化剂在高电流密度（HCDs）下易失活的问题，研究人员通过一步水热法构建了Mo掺杂FeCo-LDH/MXene（Mo/FCL/MX@NF）自支撑电极。MXene内置电场（BIEF）与Mo掺杂协同调控电子结构，促进活性相γ-CoOOH/β-FeOOH的原位转化，使OER过电位在400 mA cm?2 时仅需221 mV，全电解池在1000 mA cm?2 下稳定运行180小时，为工业制氢提供了新策略。

　　

研究背景与意义

氢能作为清洁能源载体，其规模化生产依赖高效稳定的电解水技术。然而，工业级高电流密度（HCDs）下，传统过渡金属氢氧化物催化剂（如FeCo-LDH）面临导电性差、活性相不稳定等挑战，导致过电位激增和快速衰减。这一瓶颈源于两方面：一是材料本征电子传输受限，二是电化学过程中不可控的原位重构。如何通过界面工程和电子结构设计实现催化剂在HCDs下的长效稳定，成为领域内亟待突破的难题。

研究方法与技术路线

国家自然科学基金资助的研究团队采用一步水热法，在镍泡沫（NF）上原位生长Mo掺杂FeCo-LDH纳米花，并锚定于Ti₃
C₂
T_x
MXene基底（Mo/FCL/MX@NF）。通过X射线光电子能谱（XPS）和原位拉曼光谱解析电子结构变化，结合密度泛函理论（DFT）计算能垒路径，系统评估了BIEF与Mo掺杂的协同机制。

研究结果

材料表征
扫描电镜显示Mo/FCL/MX@NF呈现三维纳米花结构（图1a），MXene的（002）晶面间距扩大证实成功剥离。XPS证实Mo⁶⁺
掺杂引起Fe/Co价态偏移，而界面电荷重分布验证了BIEF的存在。

催化性能
在1 M KOH中，Mo/FCL/MX@NF的OER过电位仅为221 mV@400 mA cm^?2
，优于未掺杂样品（278 mV）。全电解池在400/1000 mA cm^?2
下仅需1.62/1.84 V，且500 mA cm^?2
稳定运行180小时无衰减。

机理研究
原位拉曼揭示Mo掺杂促进FeCo-LDH向γ-CoOOH/β-FeOOH的定向转化。DFT表明MXene的BIEF通过晶格氧机制（LOM）降低氧化能垒，Mo-O-Co键桥接加速质子转移，使速率决定步骤（RDS）能垒从1.58 eV降至0.86 eV。

结论与展望

该研究通过BIEF与异质原子掺杂的协同设计，实现了催化剂电子结构精准调控和可控重构，为工业级电解水装置提供了新型电极材料。未来可进一步探索MXene表面终止基团（-O/-OH）对BIEF强度的调控规律，推动非贵金属催化剂在兆瓦级电解槽中的应用。