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Operando Characterization of Fe in Doped Nix(Fe1–x)OyHz Catalysts for Electrochemical Oxygen Evolution

化学 催化作用 兴奋剂 表征(材料科学) 物理化学 分析化学(期刊) 结晶学 无机化学 纳米技术 凝聚态物理 物理 有机化学 材料科学
作者
Joakim Halldin Stenlid,Mikaela Görlin,Oscar Díaz‐Morales,Bernadette Davies,В. В. Григорьев,David Degerman,Aleksandr Kalinko,Mia Börner,Mikhail Shipilin,Matthias Bauer,Alessandro Gallo,Frank Abild‐Pedersen,Michal Bajdich,Anders Nilsson,Sergey Koroidov
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (5): 4120-4134 被引量:36
标识
DOI:10.1021/jacs.4c13417
摘要

Iron-doped nickel oxyhydroxides, Nix(Fe1-x)OyHz, are among the most promising oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts in alkaline environments. Although iron (Fe) significantly enhances the catalytic activity, there is still no clear consensus on whether Fe directly participates in the reaction or merely acts as a promoter. To elucidate the Fe's role, we performed operando X-ray spectroscopy studies supported by DFT on Nix(Fe1-x)OyHz electrocatalysts. We probed the reversible changes in the structure and electronic character of Nix(Fe1-x)OyHz as the electrode potential is cycled between the resting (here at 1.10 VRHE) and operational states (1.66 VRHE). DFT calculations and XAS simulations on a library of Fe structures in various NiOyHz environments are in favor of a distorted local octahedral Fe(III)O3(OH)3 configuration at the resting state with the NiOyHz scaffold going from α-Ni(OH)2 to γ-NiOOH as the potential is increased. Under catalytic conditions, EXAFS and HERFD spectra reveal changes in p-d mixing (covalency) relative to the resting state between O/OH ligands and Fe leading to a shift from octahedral to square pyramidal coordination at the Fe site. XES measurements and theoretical simulations further support that the Fe equilibrium structure remains in a formal Fe(III) state under both resting and operational conditions. These spectral changes are attributed to potential dependent structural rearrangements around Fe. The results suggest that ligand dissociation leads to the C4v symmetry as the most stable intermediate of the Fe during OER. This implies that Fe has a weakly coordinated or easily dissociable ligand that could serve to coordinate the O-O bond formation and, tentatively, play an active role in the Nix(Fe1-x)OyHz electrocatalyst.
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