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Stable Metal–Organic Electrocatalysts for Anion-Exchange Membrane Water Electrolyzers by Defect Engineering

化学 过电位 电催化剂 析氧 催化作用 电化学 金属有机骨架 分解水 离子交换 化学工程 无机化学 离子 制氢 电极 有机化学 物理化学 吸附 工程类 光催化
作者
Hongbin Xu,Daniel J. Zheng,Shuo Wang,Ethan Yupeng Zheng,Yilin Zhang,Tongchao Liu,Junxiang Liu,Davide Menga,Junghwa Kim,Jen-Hung Fang,Xiao Wang,Zhen Zhang,Lena Schröck,Jiaqi Wang,Sungsik Lee,Sunmoon Yu,Haldrian Iriawan,Guanzhou Zhu,Yuriy Román‐Leshkov,Ju Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (33): 29838-29851 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c06156
摘要

Developing efficient and durable catalysts for the alkaline oxygen evolution reaction (OER) is vital to achieving practical anion-exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs) for green hydrogen production. Here, we break the activity-stability trade-off of electrocatalysis by defect engineering of Ni-based metal-organic electrocatalysts (Ni-benzenedicarboxylate; Ni-BDC) through coordinating ferrocenecarboxylates (Fc) to the metal sites. Experimental results collectively reveal that the defect MOF (Ni-BDC:Fc_5:1) exhibits a high OER turnover frequency of 0.75 O2 s-1 at 300 mV overpotential. Operando Raman spectroscopy and isotope-labeling electrochemical mass spectrometry measurements indicate the structure of Ni-BDC:Fc_5:1 is also more stable in service than that of pure Ni-BDC. The high activity and stability could be attributed to the moderate defects (i.e., unsaturated Ni sites) in the structure that not only increase the intrinsic activity and stability of the local active environment by inhibiting lattice oxygen exchange but also electrochemically activate the bulk of the catalysts by creating a porous network that facilitates internal H2O/OH- conduction with enhanced electronic conduction. Accordingly, an AEMWE employing Ni-BDC:Fc_5:1 as the OER catalyst delivers an industrial-level current density of 1 A cm-2 at 1.73 Vcell and can be steadily operated for more than 120 h.
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