新型催化剂！北科大联合日本东北大，新发AFM！

2025年2月26日，北京科技大学贾宝瑞副教授、秦明礼教授、日本东北大学李昊教授在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials上发表名为《Ga-Induced Oxygen Vacancy Creation Activates Lattice Oxygen Oxidation for Water Electrolysis》的研究论文，王勇为论文第一作者，贾宝瑞博士、秦明礼教授、李昊为论文共同通讯作者。

贾宝瑞，北京科技大学副教授，研究生导师。毕业于北京科技大学，并获得博士学位，现工作于北京科技大学新材料技术研究院。

贾宝瑞副教授的主要研究方向为纳米粉末的设计与合成、能源转换电催化剂与二次电池材料、人工智能辅助材料设计、新型粉末冶金材料等。贾宝瑞共发表SCI论文90余篇，以第一作者、通讯作者在J Am Chem Soc、Adv Mater、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、ACS Nano、Energy Storage Mater、Scripta Mater等国际期刊发表30余篇，单篇最高影响因子32.086，单篇最高引用281次。

秦明礼，工学博士，教授，博士生导师。1992至2002年，在中南大学学习，先后获学士、硕士、博士学位；2003年进入北京科技大学工作，2005年晋升为副教授，2008年在副教授岗位上被聘为博士生导师，2009年破格晋升为教授。入选了“国家级杰出人才计划”、“科技部中青年科技创新领军人才”、“教育部新世纪优秀人才”、“北京市科技新星”、“霍英东教育基金会优秀青年教师”。

秦明礼教授在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energ. Environ. Sci.、J . Mater. Chem. A、Carbon、Chem. Comm .、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc.、Powder Metall.、Powder Technol.、Int. J. Refract. Met. H. 等国内外行业权威杂志发表论文200余篇，被SCI收录130余篇；授权国家发明专利80余项。

李昊，日本东北大学材料科学高等研究所教授，担任澳大利亚昆士兰大学绿色电化学二氧化碳转化卓越中心（GETCO₂）的联合研究员。李昊博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系及Oden科学与工程计算中心，并在丹麦科技大学物理系从事博士后研究。

李昊教授已在Nature Catalysis、Nature Communications、JACS、Advanced Materials等顶级期刊发表论文240余篇，总引用次数超过1万次‌。

在本文中，作者中通过密度泛函理论（DFT）计算，证明了将钆（Gd）引入Fe掺杂的NiO中能够提升O 2p带中心并产生更多未占据的氧态。

此外，Gd促进了氧空位的形成，这些因素共同增强了析氧反应（OER）的晶格氧氧化机制（LOM）路径。吸附自由能图证实，Gd掺杂显著降低了Fe掺杂NiO中Fe位点和Ni位点的理论过电位，从而提高了OER活性。

基于这些发现，作者通过喷雾燃烧法合成了Gd和Fe共掺杂的NiO（Gd, Fe-NiO）超薄纳米片。作为OER催化剂，该材料表现出227 mV的低过电位，比Fe掺杂的NiO低40 mV，并且能通过超过150 h的长期催化稳定性测试。

在阴离子交换膜水电解系统中，Gd, Fe-NiO催化剂的NiO在20 mA cm^-2的电流密度下表现出超过120 h的稳定性能。

图1：Gd-NiFe氧化物的理论计算

图2：Gd, Fe-NiO的形貌和结构表征

图3 ：在1 M KOH溶液中，Gd, Fe-NiO的电极催化OER

图4：OER后Gd, Fe-NiO的性能表征

图5 ：Gd, Fe-NiO和Fe-NiO的晶格氧机制

图6：Gd, Fe-NiO催化剂的AEMWE测试

综上，作者通过密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，发现掺杂钆（Gd）能够显著提升Fe掺杂NiO催化剂的OER性能。Gd的引入不仅提高了O 2p能带中心位置，增加了未占据氧态的数量，还促进了氧空位的形成，从而增强了晶格氧氧化机制（LOM）路径，显著降低了理论过电位，提升了OER活性。

该研究不仅揭示了Gd掺杂对NiO基催化剂OER性能的显著提升机制，还为设计高性能、低成本的非贵金属OER催化剂提供了新的理论依据和实验方法，推动了对晶格氧氧化机制的理解。

同时，这种高性能的Gd, Fe-NiO催化剂有望在绿色氢气生产领域（水电解和燃料电池）中替代现有的贵金属催化剂（IrO₂和RuO₂），具有广阔的应用前景，尤其是在可再生能源驱动的电解水制氢系统中。

Ga-Induced Oxygen Vacancy Creation Activates Lattice Oxygen Oxidation for Water Electrolysis. Adv. Funct. Mater. 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202500118.