Plasma-Engineered Hydroxyl Defects in NiO: A DFT-Supported-Spectroscopic Analysis of Oxygen-Hole States and Implications for Water Oxidation

化学 非阻塞I/O 反应性(心理学) 羟基化 催化作用 空位缺陷 氧化物 电子结构 光谱学 无机化学 扩展X射线吸收精细结构 化学工程 光化学 化学物理 离子
作者
Harol Moreno Fernández,Mohammad Amirabbasi,Crizaldo Mempin,Alessia Trapletti,Garlef Wartner,Marc F. Tesch,Esmaeil Adabifiroozjaei,Thokozile A. Kathyola,Carlo Castellano,Leopoldo Molina-Luna,Jan P. Hofmann
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c00210
摘要

Controlling lattice-oxygen reactivity in earth-abundant OER catalysts requires precise tuning of defect chemistry in the oxide lattice. Here, we combine DFT + U calculations with plasma-assisted synthesis to show how O2 and H2O in the discharge govern vacancy formation, electronic structure, and catalytic predisposition in NiO thin films. Oxygen-rich plasmas generate isolated and clustered Ni vacancies that stabilize oxygen-ligand-hole states and produce shallow O 2p-Ni 3d hybrid levels, enhancing Ni-O covalency. In contrast, introducing H2O during growth drives local hydroxylation that compensates vacancy-induced Ni3+ centers, restoring Ni2+-like coordination, suppressing deep divacancy-derived in-gap states, and introducing shallow Ni-O-H-derived valence-band tails. EXAFS confirms that hydroxylation perturbs only the local environment while preserving the medium-range NiO lattice, and Ni L-edge spectroscopy shows a persistent but redistributed ligand-hole population. These complementary vacancy- and hydroxylation-driven pathways provide a plasma-controlled route to predefine electronic defect landscapes in NiO and to tune its activation toward OER-relevant NiOOH formation.
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