Synergy between Fe and Ni in the optimal performance of (Ni,Fe)OOH catalysts for the oxygen evolution reaction

析氧 催化作用 组分(热力学) 氧气 化学工程 材料科学 化学 组合化学 热力学 纳米技术 物理化学 冶金 物理 电化学 电极 有机化学 工程类
作者
Hai Xiao,Hyeyoung Shin,William A. Goddard
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:115 (23): 5872-5877 被引量:550
标识
DOI:10.1073/pnas.1722034115
摘要

The oxygen evolution reaction (OER) is critical to solar production of fuels, but the reaction mechanism underlying the performance for a best OER catalyst, Fe-doped NiOOH [(Ni,Fe)OOH], remains highly controversial. We used grand canonical quantum mechanics to predict the OER mechanisms including kinetics and thus overpotentials as a function of Fe content in (Ni,Fe)OOH catalysts. We find that density functional theory (DFT) without exact exchange predicts that addition of Fe does not reduce the overpotential much. However, DFT with exact exchange predicts dramatic improvement in performance for (Ni,Fe)OOH, leading to an overpotential of 0.42 V and a Tafel slope of 23 mV/decade (dec), in good agreement with experiments, 0.3-0.4 V and 30 mV/dec. We reveal that the high spin [Formula: see text] Fe(IV) leads to efficient formation of an active O radical intermediate, while the closed shell [Formula: see text] Ni(IV) catalyzes the subsequent O-O coupling, and thus it is the synergy between Fe and Ni that delivers the optimal performance for OER.
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