Spin Modulation of Antiperovskite Nitride for Industrial-Current-Density Seawater Electrolysis

抗血小板 过电位 材料科学 析氧 密度泛函理论 电解 催化作用 电解水 化学工程 人口 化学物理 阳极 氮化物 电催化剂 海水 无机化学 吸附 过渡金属 分解水
作者
Weigao Zhong,Li Zi,Qiming Sun,Linfeng Li,X. Y. Zhang,Longyu Wen,Hua Wang,Xinying Xue,Hussein A. Younus,Hua Wang,Kongzhai Li,Zongping Shao,Chundong Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c13813
摘要

Exploring electrocatalysts that possess both high activity and long-term durability is essential for the practical implementation of seawater electrolysis; however, achieving this goal remains a major bottleneck. Herein, a spin engineering strategy is proposed for antiperovskite nitride (CuNNi3-xMox) to boost its inherent catalytic activity. The partial substitution of Ni sites with Mo atoms induces a transition from low-spin state Ni2+ (eg2 t2g6) to high-spin state Ni3+(eg2 t2g5). The Mo-substituted catalyst exhibits superior electrocatalytic performance, yielding low overpotentials of 212 mV for the hydrogen evolution reaction (HER) and 453 mV for the oxygen evolution reaction (OER) at a current density of 500 mA cm-2. The practical viability of the spin-engineered antiperovskite catalyst is further demonstrated in an overall seawater electrolysis setup, which maintains stable operation at 500 mA cm-2 for over 1000 h. The experiments and density functional theory calculations reveal that spin state modulation reduces the electron population in the σ* orbitals, thereby strengthening *OH adsorption at Ni sites. This optimizes the binding energy of *OH and promotes the transformation to the active NiOOH phase, ultimately enhancing the OER kinetics.
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