Elemental doping is employed to tune the inherent activity and electronic structure of electrocatalysts for water electrolysis. Here, unique nanosheet arrays of NiFe-LDH doped with lanthanide metals (NiFeSm-LDH, NiFeCe-LDH, and NiFeLa-LDH) were developed as high-performance electrocatalysts for oxygen evolution reaction (OER). Notably, NiFeSm-LDH exhibits the superior performance, with the lowest overpotentials of 203 mV (at 10 mA cm−2) for OER. Structural analysis, in-situ Raman spectra and DFT calculations reveal that the high activity of the catalysts can be attributed to synergistic functionalities. Firstly, compared to Ce in NiFeCe-LDH and La in NiFeLa-LDH, Sm element in NiFeSm-LDH can attract more electrons from the outermost 3d orbitals of Ni due to the effect of lanthanide contraction, resulting in the highest valence state and d-band center of Ni. Secondly, the formation of NiOOH phase on NiFeSm-LDH requires a lower overpotential (∼1.32 V) than those on NiFeCe-LDH (1.32 ∼ 1.37 V) and NiFeLa-LDH (∼1.37 V) based on in-situ Raman spectra, which indicate that NiFeSm-LDH has faster kinetics to achieve the Ni(II)-Ni(III) transformation. Thirdly, First-principles simulations reveal that NiFeSm-LDH reduces the formation energy from OOH* to O2 significantly, which eventually improves the catalytic activity. Furthermore, the NiFeSm-LDH||Pt/C couple exhibits a low voltage of 1.59 V at 100 mA cm−2 for overall water splitting.

Thermoelectric water spitting to hydrogen systems has great potential in the production of environment-friendly fuel using renewable solar energy in the future. In this work, we prepared porous nanosheet Mo doping Ni5P4 catalysts on nickel foam with efficient hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) performance in alkaline media. DFT calculations and experimental studies have shown that Mo doping deadeneds the interaction between H and O atomic orbitals of transition state water molecules, effectively weakening the activation energy of H2O dissociation. Therefore, Mo doping is favorable for enhancing HER activity with overpotential at 10 mA cm–2 of 93 mV and Tafel slope of 40.1 mV dec–1 in 1 M KOH. Besides, it exhibits high alkaline OER activity with an ultra-low overpotential of 200 mV at 10 mA cm–2. Moreover, this catalyst only needs 1.537 V in a dual-electrode configuration of the electrolytic cell, which is much lower than the commercial Pt/C-RuO2 couple (1.614 V). In addition, we have developed and constructed a solar thermoelectric generator (TEG) that is capable of floating on water. This TEG has a continuous power output and an exceptionally long lifespan, providing a stable power supply to the synthesized catalyst electrolyzer. It can produce a maximum power output of over 90 mW, meeting the requirement of converting solar radiation heat into usable electricity. As a result, the system achieves productivity of 0.11 mL min–1 H2. This solar thermal energy conversion technology shows the possibility of large-scale industrial production of H2 and provides a new idea for exploring heat source utilization.