In-situ structure and catalytic mechanism of NiFe and CoFe layered double hydroxides during oxygen evolution

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作者
Fabio Dionigi,Zhenhua Zeng,Ilya Sinev,Thomas Merzdorf,Siddharth Deshpande,Miguel Ángel Martín López,Sebastian Kunze,Ioannis Zegkinoglou,Hannes Sarodnik,Dingxin Fan,Arno Bergmann,Jakub Drnec,Jorge Ferreira de Araújo,Manuel Gliech,Detre Teschner,Jing Zhu,Wei‐Xue Li,Jeffrey Greeley,Beatriz Roldán Cuenya,Peter Strasser
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:11 (1) 被引量:586
标识
DOI:10.1038/s41467-020-16237-1
摘要

Abstract NiFe and CoFe (MFe) layered double hydroxides (LDHs) are among the most active electrocatalysts for the alkaline oxygen evolution reaction (OER). Herein, we combine electrochemical measurements, operando X-ray scattering and absorption spectroscopy, and density functional theory (DFT) calculations to elucidate the catalytically active phase, reaction center and the OER mechanism. We provide the first direct atomic-scale evidence that, under applied anodic potentials, MFe LDHs oxidize from as-prepared α-phases to activated γ-phases. The OER-active γ-phases are characterized by about 8% contraction of the lattice spacing and switching of the intercalated ions. DFT calculations reveal that the OER proceeds via a Mars van Krevelen mechanism. The flexible electronic structure of the surface Fe sites, and their synergy with nearest-neighbor M sites through formation of O-bridged Fe-M reaction centers, stabilize OER intermediates that are unfavorable on pure M-M centers and single Fe sites, fundamentally accounting for the high catalytic activity of MFe LDHs.
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