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

层状双氢氧化物 析氧 催化作用 密度泛函理论 电化学 材料科学 X射线光电子能谱 反应机理 无机化学 化学 化学物理 化学工程 物理化学 计算化学 电极 工程类 生物化学
作者
Fabio Dionigi,Zhenhua Zeng,Ilya Sinev,Thomas Merzdorf,Siddharth Deshpande,Miguel Bernal,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): 2522-2522 被引量:1081
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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