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Preconfiguring a High−Valent Ni State Decouples Lattice−Oxygen Activation From Dynamic Surface Reconstruction for Stable Water Oxidation at 2.0 A cm −2

材料科学 析氧 电化学 解耦(概率) 硫黄 氧气 氧化还原 分解水 氧化态 耐久性 偏压 化学工程 渲染(计算机图形) 格子(音乐) 无机化学 动能 化学物理 配体(生物化学) 电极 电催化剂 电解水 电流密度 曲面重建 退火(玻璃)
作者
Baoxin Wu,Z. J. Xu,Zhiqing Tang,Xiaohong Zou,Yongbiao Mu,Lin Yang,Qing Zhang,Kejun Yan,Jiahui Luo,Xiao Zhang,Liang An,Fuqiang Huang,Lin Zeng
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (10) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/aenm.202505253
摘要

ABSTRACT High−valent transition−metal (oxy)hydroxides commonly demonstrated high intrinsic activity for the oxygen evolution reaction (OER) via electrochemical self−reconstruction. However, this evolution inevitably compromises structural integrity and long−term durability at industrial current densities (>1 A cm −2 ). Here, we propose a sequential−engineering strategy that separates catalytic−site activation from surface reconstruction through the preconfiguring of a ligand−hole−rich (oxy)hydroxide. Combined structural and electrochemical analyses confirm that Fe 3+ oxidizes L−cysteine into a moderated sulfur donor, enabling precise S incorporation (avoiding sulfides, e.g., Ni 3 S 2 ), along with Fe−O−Ni inductive polarization, biasing Ni 2+ toward Ni III . In parallel, the preconfigured high Ni III strengthens Ni─O covalency, while sulfur incorporation introduces ligand holes to O−2p band, thereby rendering lattice oxygen electrophilic. This pre−establishing framework allows lattice−oxygen to precede oxidation at Ni sites, affecting a kinetic decoupling that underpins durability. Consequently, the S−NiFeOOH delivers overpotentials of 182 mV and 214 mV at 10 mA cm −2 in alkaline freshwater and seawater, respectively, while sustaining over 4000 hours of continuous operation at 2.0 A cm −2 . In an anion−exchange membrane water electrolyzer, it achieves 1 A cm −2 at 1.67 V (freshwater) and 1.74 V (seawater) and maintains stable performance beyond 3,500 hours at 1.0 A cm −2 , underscoring its promise for large−scale green hydrogen production.
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