Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation

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作者
Xu Luo,Hongyu Zhao,Xin Yu Tan,Sheng Lin,Kesong Yu,Xueqin Q. Mu,Zhenhua Tao,Pengxia Ji,Shichun C. Mu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 8293-8293 被引量:357
标识
DOI:10.1038/s41467-024-52682-y
摘要

Simultaneously activating metal and lattice oxygen sites to construct a compatible multi-mechanism catalysis is expected for the oxygen evolution reaction (OER) by providing highly available active sites and mediate catalytic activity/stability, but significant challenges remain. Herein, Fe and S dually modulated NiFe oxyhydroxide (R-NiFeOOH@SO4) is conceived by complete reconstruction of NiMoO4·xH2O@Fe,S during OER, and achieves compatible adsorbate evolution mechanism and lattice oxygen oxidation mechanism with simultaneously optimized metal/oxygen sites, as substantiated by in situ spectroscopy/mass spectrometry and chemical probe. Further theoretical analyses reveal that Fe promotes the OER kinetics under adsorbate evolution mechanism, while S excites the lattice oxygen activity under lattice oxygen oxidation mechanism, featuring upshifted O 2p band centers, enlarged d-d Coulomb interaction, weakened metal-oxygen bond and optimized intermediate adsorption free energy. Benefiting from the compatible multi-mechanism, R-NiFeOOH@SO4 only requires overpotentials of 251 ± 5/291 ± 1 mV to drive current densities of 100/500 mA cm−2 in alkaline media, with robust stability for over 300 h. This work provides insights in understanding the OER mechanism to better design high-performance OER catalysts. The oxygen evolution reaction is crucial for energy conversion but faces challenges in catalyst optimization. Here, the authors present a dual-modulated NiFe oxyhydroxide (R-NiFeOOH@SO4) that enhances OER performance through optimized metal and lattice oxygen sites, achieving a compatible multi-mechanism.
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