Engineering oxygen nonbonding states in high entropy hydroxides for scalable water oxidation

过电位 催化作用 层状双氢氧化物 氢氧化物 氧气 析氧 无机化学 材料科学 金属 化学物理 化学 化学工程 物理化学 工程类 冶金 生物化学 电化学 电极 有机化学
作者
Fangqing Wang,Feng Liu,Mingwei Zhang,Hailin Cong
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 6624-6624 被引量:61
标识
DOI:10.1038/s41467-025-61766-2
摘要

The lattice oxygen oxidation mechanism typically requires the removal of electrons from the metal-oxygen band, which may cause structural instability due to a decrease in the metal-oxygen bond order. To address this challenge, we introduce low-valence, non-catalytically active Na to construct oxygen non-bonding bands on high-entropy hydroxides, allowing electrons to be removed from the oxygen non-bonding band rather than the metal-oxygen bonds, thereby improving the stability of the catalyst. Na doped high-entropy layered double hydroxide (Na-HE LDH) with a low overpotential of 176 mV@10 mA cm⁻² under alkaline conditions. Furthermore, the Pt/C | |Na-HE LDH electrode pair operates continuously for 2000 h at ~500 mA cm⁻² in an anion-exchange membrane electrolyzer (30 wt% KOH, 60 °C). In-situ spectroscopic and density functional theory calculations identify that the introduction of Na facilitates the formation of oxygen non-bonding band thereby mitigating structural instability. This study offers a strategy for designing efficient and stable lattice oxygen catalysts and provides valuable insights for developing catalysts capable of withstanding the rigorous demands of industrial hydrogen production environments.
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