Modulation of the Electronic Structure of High-Entropy FeCoNiMnAl Layered Double Hydroxides Boosting Oxygen Evolution Reaction Performance

过电位 材料科学 析氧 催化作用 层状双氢氧化物 电解 电化学 分解水 化学工程 电解水 吸附 法拉第效率 金属 电子结构 无机化学 密度泛函理论 离子交换 电流密度 热液循环 制氢 碱性水电解 电催化剂 纳米技术 化学物理 离子 氧气 电化学电位 降级(电信) 电极 结构稳定性 过渡金属
作者
Yuchao Zhang,Keyi Lv,Bo Feng,Ziyong Zhang,Nianwen Song,Ziyang Yan,Yanfei Wei,Xiaofei Yu,Lanlan Li,Xinghua Zhang,Xiaojing Yang,Zunming Lu,Juntao Huo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (13): 18969-18979
标识
DOI:10.1021/acsami.5c24144
摘要

The development of efficient and durable non-precious metal electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) is critical for enabling large-scale hydrogen production. High-entropy materials have garnered a significant amount of interest due to their unique multielement compositions, synergistic effects, and entropy-driven structural stability. However, the electronic interaction mechanisms among the multiple metallic elements remain insufficiently understood. In this study, a pentametallic high-entropy LDH catalyst (FeCoNiMnAl) was in situ synthesized on nickel foam via one-step hydrothermal method. The catalyst has a three-dimensional layered microflower structure, which combines a large specific surface area and a crystalline/amorphous heterogeneous interface, which facilitates mass transport and exposes abundant active sites. Electrochemical tests show that this catalyst requires only a 242 mV overpotential to achieve a current density of 100 mA cm–2 in 1 M KOH. Furthermore, an alkaline anion exchange membrane electrolyzer utilizing the high-entropy LDH catalyst achieves a current density of 1 A cm–2 at a voltage of 2.02 V, with negligible performance degradation over continuous operation for 160 h. Theoretical calculations reveal that the strong orbital overlap effect between the multimetal elements adjusts the d-band center, optimizing the adsorption energy of oxygen-containing intermediates. This study confirms that a high-entropy strategy can effectively synergize the enhancement of both activity and stability of LDHs catalysts and provides a direction for advancing the industrial application of water electrolysis technology.
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