Mechanisms of the Oxygen Evolution Reaction on NiFe2O4 and CoFe2O4 Inverse-Spinel Oxides

尖晶石 催化作用 氧气 材料科学 反向 析氧 电化学 化学 无机化学 物理化学 数学 电极 冶金 几何学 生物化学 有机化学
作者
Öyküm N. Avcı,Luca Sementa,Alessandro Fortunelli
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (15): 9058-9073 被引量:102
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c01534
摘要

Spinel ferrites, especially Nickel ferrite, NiFe2O4, and Cobalt ferrite, CoFe2O4, are efficient and promising anode catalyst materials in the field of electrochemical water splitting. Using density functional theory, we extensively investigate and quantitatively model the mechanism and energetics of the oxygen evolution reaction (OER) on the (001) facets of their inverse-spinel structure, thought as the most abundant orientations under reaction conditions. We catalogue a wide set of intermediates and mechanistic pathways, including the lattice oxygen mechanism (LOM) and adsorbate evolution mechanism (AEM), along with critical (rate-determining) O–O bond formation barriers and transition-state structures. In the case of NiFe2O4, we predict a Fe-site-assisted LOM pathway as the preferred OER mechanism, with a barrier (ΔG⧧) of 0.84 eV at U = 1.63 V versus SHE and a turnover frequency (TOF) of 0.26 s–1 at 0.40 V overpotential. In the case of CoFe2O4, we find that a Fe-site-assisted LOM pathway (ΔG⧧ = 0.79 eV at U = 1.63 V vs SHE, TOF = 1.81 s–1 at 0.40 V overpotential) and a Co-site-assisted AEM pathway (ΔG⧧ = 0.79 eV at bias > U = 1.34 V vs SHE, TOF = 1.81 s–1 at bias >1.34 V) could both play a role, suggesting a coexistence of active sites, in keeping with experimental observations. The computationally predicted turnover frequencies exhibit a fair agreement with experimentally reported data and suggest CoFe2O4 as a more promising OER catalyst than NiFe2O4 in the pristine case, especially for the Co-site-assisted OER pathway, and may offer a basis for further progress and optimization.
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