在绿色能源转型和“双碳”目标推动下，如何高效利用可再生能源进行水分解制氢，已成为当前科研和产业界关注的热点。传统水电解反应中，析氧反应（OER）因其反应路径复杂、电荷转移慢，是限制整体效率的瓶颈。而“光辅助电催化”被视为突破这一瓶颈的有效路径——通过引入光照，实现催化剂的激发增强，有望降低能耗、提升反应速率。不过，现有多数光辅助体系依赖于 “光吸收材料 + 电催化剂” 的多组分复合策略，不仅制备复杂、界面失配问题突出，也难以实现长期稳定运行。

本项研究提出了一种更具集成性的新思路：构建单组分光辅助电催化材料。研究团队以氧化铈（CeO₂）为基础，通过掺杂过渡金属镍（Ni）或钴（Co），在材料内部引入额外的3d电子态，实现了带隙调控和电催活性的协同优化。实验和理论分析均显示，掺杂后的CeO₂不仅具备更优的可见光吸收能力，还在催化反应中间体的吸附与活化方面表现出更高效的电子匹配，从而显著提升了光照下的催化性能。这套策略简化了体系结构，同时也为新型绿色能源催化剂的开发提供了重要的材料设计思路。

近期，在伦敦大学学院的Mojtaba Abdi-Jalebi副教授及沙特环境、水与农业部的Bandar AlOtaibi教授的共同指导下，Zahra Albu博士设计并开发了一种基于过渡金属氧化物掺杂的光辅助电催化水分解体系。研究中，Ni掺杂的CeO₂材料在费米能级附近引入额外的3d态，有效将带隙从3.0 eV缩小至2.7 eV，从而增强了可见光吸收能力，并提高了催化剂-电解质界面的电荷转移效率。密度泛函理论计算结合光谱分析进一步证实，Ni掺杂体系在光照条件下（@50 mA/cm²）可将过电位降低64 mV，性能显著优于未掺杂样品；而Co掺杂体系亦表现出35 mV的过电位降低（在1 M NaOH中）。

相关研究成果以“Transition Metal Doping of CeO₂ Boosts Photo-assisted Electrocatalytic Oxygen Evolution Performance”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

图1. Co和Ni掺杂对CeO₂缺陷性质的影响。(a) Co-CeO₂的Co 2p高分辨XPS光谱；(b) Ni-CeO₂的Ni 2p高分辨 XPS 光谱；(c) 不同样品的Ce 3d高分辨XPS光谱。

图2. 掺杂对CeO₂光学特性及电子结构的影响。(a) 未掺杂CeO₂、(b) Co-CeO₂和(c) Ni-CeO₂的紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS），插图为基于Kubelka-Munk函数提取的带隙值；(d)–(f) 分别为纯CeO₂、Co-CeO₂和Ni-CeO₂的投影态密度图（PDOS），显示掺杂调控所引起的电子结构变化及中间体吸附的反应动力学优化。

图3. 光辅助OER活性及电荷传输性能评估。在1 M KOH溶液中采用三电极体系进行光电化学测试，扫描速率为100 mV/s，记录光照开关状态下的电化学响应。(a) 纯CeO₂、Co-CeO₂和Ni-CeO₂修饰FTO电极在OER反应中的iR校正线性扫描伏安（LSV）曲线；(b) 相应的电化学阻抗谱（EIS）；(c) 各催化剂在10 mA/cm²电流密度下的过电位对比；(d) 基于LSV曲线提取的Tafel斜率，用于评估反应动力学。

图4. 3d过渡金属在水氧化反应过程中的作用机制示意图。

本研究以CeO₂为基础，通过引入Ni和Co等过渡金属掺杂，构建了一种兼具光吸收与电催化功能的单组分光辅助电催化体系，为提升水分解反应中的析氧性能提供了新思路。研究表明，掺杂不仅有效缩小了CeO₂的带隙，提高了可见光响应能力，更关键的是，Ni的引入在CeO₂能带结构中形成了位于价带附近的3d轨道能级，优化了关键反应中间体的吸附能及电子转移路径，从而显著增强了催化性能。这一发现强调，影响光辅助催化效率的关键因素，已不再局限于“能带宽度”，而在于掺杂所诱导的电子态分布在能带结构中的精准调控。该工作为构建高效、低成本的绿色能源催化材料提供了全新的设计策略与理论支撑。