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Insights into the Electrochemical Oxidation and Reduction of Nickel Oxide Surfaces

材料科学 氧化还原 电催化剂 循环伏安法 无机化学 电化学 氧化镍 氧化物 催化作用 Pourbaix图 氢氧化物 化学工程 电极 化学 物理化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Wenyu Sun,Nitish Govindarajan,Aditya Prajapati,Jiayi Huang,Hossein Bemana,Jeremy T. Feaster,Sneha A. Akhade,Nikolay Kornienko,Christopher Hahn
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (1): 2365-2375 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.4c13187
摘要

Surface oxidation/reduction processes, driven by varying electrochemical potentials, can substantially impact catalyst effectiveness and, consequently, electrolyzer performance. This study combines theoretical and experimental approaches to explore the surface redox behavior of nickel oxides, which are cost-effective and efficient catalysts for many electrochemical reactions. Surface Pourbaix diagrams for three different phases of nickel oxides, i.e., nickel hydroxide (Ni(OH)2), nickel oxyhydroxide (NiOOH), and nickel dioxide (NiO2), were constructed using density functional theory-based simulations. Various experimental methods, including cyclic voltammetry, in situ Raman spectroscopy, and electrochemical titration, were employed to probe the surface redox processes of nickel oxide thin films. Our findings indicate that the ABAB stacking sequence of Ni(OH)2 lacks stability under oxidizing conditions to host the surface oxidation (deprotonation) events, while the AABBCC stacking sequence of NiOOH is energetically favorable due to the presence of interlayer hydrogen bonding. Rapid charge transfer facilitated by interlayer hydrogen bonding accounts for the higher reactivity of partially oxidized/reduced NiOOH (001) surfaces compared to Ni(OH)2 (001) and NiO2 (001) surfaces with the same stoichiometry, where interlayer hydrogen bonding is absent. Insights presented in this work can offer guidelines for optimizing operational conditions and tailoring the surface structures and oxidation states of nickel oxides to enhance performance in applications such as electrocatalysis and supercapacitors.
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