研 究 背 景

析氧反应（OER）动力学缓慢，是制约电解水效率提升的关键环节。RuO₂、IrO₂等贵金属催化剂虽表现出优异活性，但成本高昂、资源稀缺。非贵金属催化剂具备良好的应用前景，然而普遍面临与衬底界面作用弱、活性不足以及在复杂介质中稳定性差等问题。Ga₂O₃具有优异的热稳定性和界面调控潜力，等离子增强原子层沉积技术（PEALD）可在衬底上直接构筑均匀致密的超薄Ga₂O₃薄膜，为提升界面相互作用与催化性能提供了新思路。因此，发展基于PEALD技术的Ga₂O₃薄膜催化体系并揭示其OER机理，具有重要的研究价值。

成 果 介 绍

中山大学奚斌教授联合温州大学郭大营教授等人提出了一种基于PEALD的非晶碳掺杂Ga₂O₃（ACG）薄膜电催化策略，在玻碳/碳纸电极上直接构筑出具有强界面相互作用的ACG催化层，用于提升OER性能。该工作以三甲基镓（TMGa）和氧等离子体为共反应物，成功构建均匀性较好的ACG薄膜；利用晶体场理论和PEALD的自限制性原则实现碳精确掺杂在八面体Ga的氧位点上，形成局部偶极矩，诱导形成局域电场，与水分子强相互作用，构建催化剂–水异质结（catalyst–water heterojunction, CWH），从而增强水分子吸附与界面电荷转移，促进·OH 的生成及GaOOH活性相的形成。与此同时，OER过程重构形成的CO₃²⁻层能够抑制GaOOH的持续无序重构，显著提升催化剂在复杂介质中的运行稳定性。原位DEMS和Raman结果进一步表明，该体系遵循晶格氧机制（LOM），兼具高活性、良好选择性与优异耐久性。相关成果以“Carbon-Doped Amorphous Gallium Oxide Forms a Heterojunction With Water to Improve the Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction”为题发表在 Carbon Energy 上。

研 究 亮 点

1.采用PEALD在载体上直接构筑非晶碳掺杂Ga₂O₃薄膜，实现强界面相互作用催化界面

利用PEALD直接在玻碳/碳纸基底上生长ACG薄膜，而不是采用传统粉体催化剂加粘结剂的负载方式。该方法在75–300°C的宽温区内均表现出稳定的ALD生长行为，可实现均匀致密且保形的超薄膜层构筑。相比常规粉体催化剂，这种薄膜直接生长于导电基底的策略显著增强了催化剂与载体之间的界面耦合，降低了界面接触电阻。

2.碳掺杂诱导局域电场，构建催化剂–水异质结（CWH）

利用晶体场理论和PEALD的自限制性原则实现碳精确掺杂在八面体Ga的氧位点上，形成局部偶极矩，诱导形成局域电场，改变了Ga位点周围的电子结构，结合莫特-肖特基测试和理论计算等方法证明ACG与水分子之间会形成CWH结构。该异质结构界面有利于促进·OH的生成，并促进GaOOH活性相的生成。使得“催化剂–水界面”作为一个可被设计、可被调控的活性单元。

3.非晶碳掺杂Ga2O3通过晶格氧机制（LOM）运行，并借助碳酸盐界面层抑制持续重构

该研究提升了OER活性，并通过pH依赖测试、原位DEMS和原位Raman结果共同表明，ACG在OER过程中遵循LOM。更重要的是，随着反应进行，界面在·OH强氧化作用下会形成CO₃²⁻富集层和弱碱性界面层；充当一个能抑制GaOOH持续无序重构的保护层。既能减缓活性相溶解，又能在海水条件下通过静电排斥作用抑制Cl−相关副反应，从而同时提升稳定性与选择性。

4. 从材料性能走向器件验证，在碱性海水中实现高电流密度与长时稳定运行

将ALD-ACG直接沉积在碳纸上构建流动电解槽。结果显示，该器件在碱性介质中实现1.0 A cm⁻²电流密度仅需1.90 V；在碱性海水中达到1.0 A cm⁻²也只需1.94 V，并可稳定运行200 h 几乎无衰减。这说明ACG薄膜界面工程不仅在机理上成立，也具备向实际电解器件扩展的潜力。

图 文 解 析

图1：PEALD制备非晶碳掺杂ACG薄膜的过程示意，以及β-Ga₂O₃的晶体结构、碳掺杂位点和相关DFT结果。

图2：ACG的催化机理，包括催化剂与基底的强相互作用、水分子吸附与CWH形成、吸附能差异、反应后表面重构以及DFT自由能分析。C掺杂和界面电子耦合共同提高了水分子吸附与活化能力，并有助于抑制无序重构。

图3：不同pH下的OER活性、原位DEMS、原位Raman以及基于ACG/CP的流动电解槽性能和长期稳定性。ACG催化剂遵循晶格氧机制，且在碱性及海水条件下的器件测试中表现出高电流密度和优异的长期稳定性。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Carbon-Doped Amorphous Gallium Oxide Forms a Heterojunction With Water to Improve the Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction

文章研究方向：

电催化— —氧析出（OER）

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70205

DOI: 10.1002/cey2.70205

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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