通過水分解產生的綠色氫在緩解能源消耗和氣候變化問題方面發揮關鍵作用，而鑒于海水儲量豐富，海水電解是大規模、可持續產生氫氣的誘人途徑。然而，析氧反應(OER)緩慢的動力學限制了產氫效率，貴金屬(Ru和Ir)基電催化劑的使用可以促進OER，但它們的稀缺性和高成本限制了它們的廣泛應用。此外，氯離子的存在會導致析氯反應(CER)的發生，與陽極OER競爭。除以上問題外，不溶性沉淀物和細菌也會影響電催化劑的穩定性。因此，開發高活性和穩定的OER催化劑是推進海水電解技術的主要挑戰。

基于此，香港理工大學Lawrence Yoon Suk Lee等人通過鋰離子摻雜和g-C₃N₄雜化的方法對NiFe-LDH進行了改性，并提高了其對OER的催化活性和選擇性。

本文利用標準的三電極體系在O₂飽和的1 M KOH中對制備的催化劑進行了OER活性測試。根據極化曲線可以發現，Li-NFL/CN僅需要276 mV的過電位就能達到100 mA cm^-2的電流密度，這明顯低于g-C₃N₄(507 mV)、NiFe-LDH(340 mV)、Li-NFL(299 mV)和商業RuO₂(414 mV)。

此外，從極化曲線獲得的Tafel圖還可以發現，Li-NFL/CN在所有催化劑中具有最低的Tafel斜率(51.5 mV dec^-1)。更加重要的是，當Li摻雜濃度為0.077%且g-C₃N₄:Li-NFL的重量比約為0.001(0.1wt.%)時，催化劑的OER過電位和Tafel斜率最低。值得注意的是，NiFe-LDH和Li-NFL/CN具有幾乎相同的Fe/Ni比值，這排除了其對OER性能的影響。

當Li摻雜和g-C₃N₄含量較高時，催化劑的OER活性則顯著降低，這可能歸因于較差的電導率。之后，本文在鹽水和堿性天然海水電解質中進一步測試了NiFe-LDH的OER活性，以研究它們在海水電解應用中的潛力。令人滿意的是，Li-NFL/CN在鹽水中具有優異的OER性能，并且活性幾乎沒有下降，這表明高濃度的Cl^–離子對其催化活性的影響并不顯著。

然而，其在堿性天然海水電解質(海水+1 M KOH)中的OER活性則明顯下降，這可以歸因于在海水OER過程中形成的細菌、微生物和不溶性沉淀。令人驚喜的是，Li-NFL/CN電極只需要319和401 mV就可以分別達到100和200 mA cm^-2的電流密度，這遠遠低于CER(480 mV)所需的理論過電位。更重要的是，在堿性海水電解質中，在200 mA cm^-2的大電流密度下，Li-NFL/CN電極表現出96.7%的非常高的平均法拉第效率(FE)。

為了揭示Li離子摻雜和雜化對NiFe-LDH的OER性能增強機理，本文進行了密度泛函理論(DFT)計算。與未摻雜的NiFe-LDH相比，Li⁺摻雜和g-C₃N₄雜化均能提高催化劑對Cl^–的吸附自由能，這表明經過Li⁺和g-C₃N₄改性后，Cl^–在NiFe-LDH表面的吸附變得更加困難，這有效地防止了Cl^–對催化劑的腐蝕，進而提高了催化劑的耐腐蝕性能。此外，與NiFe-LDH催化劑相比，Li-NFL和Li-NFL/CN上的CER過程由于Cl^–吸附緩慢而被顯著抑制。

具體來說，Li-NFL和Li-NFL/CN的CER理論過電位分別為0.7 V和1.09 V，這明顯高于極化曲線中觀察到的OER的過電位，這也就解釋了為什么Li-NFL和Li-NFL/CN上OER比競爭性CER更有利，這也導致催化劑具有較高的OER選擇性。之后，本文還利用DFT計算研究了OER中每個步驟的自由能。計算后發現，Li⁺摻雜極有利于M-^*OH步驟，而g-C₃N₄雜化則更有利于M-^*O過程，并將速率決定步驟(RDS)從M-^*OOH改變為M-^*O。

此外，Li-NFL/CN的理論OER過電位為0.53 V，遠低于NiFe-LDH(0.72 V)，這表明Li-NFL/CN具有更好的OER性能。這些理論計算結果與實驗結果相吻合，充分證實了Li⁺摻雜和界面形成的共同作用使得Li-NFL/CN在海水電解中具有較高的OER選擇性和活性。總之，本工作證明了堿性陽離子摻雜與異質界面的有效結合，可以設計出低成本、穩定、高效、選擇性好的海水電解催化劑。

A “doping–interfacing” Strategy Enables Efficient Alkaline Freshwater and Seawater Oxidation by NiFe-layered Double Hydroxides, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.145293.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145293.