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Optimizing the electronic spin state and delocalized electron of NiCo2(OH) /MXene composite by interface engineering and plasma boosting oxygen evolution reaction

离域电子 未成对电子 化学 自旋态 密度泛函理论 电子顺磁共振 电子结构 材料科学 原子物理学 化学物理 无机化学 计算化学 核磁共振 物理 有机化学
作者
Jingyao Xu,Xia Zhong,Xiaofeng Wu,Ying Wang,Shouhua Feng
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:71: 129-140 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.03.025
摘要

The electrocatalytic activity of transition-metal-based compounds is closely related to the electronic configuration. However, optimizing the surface electron spin state of catalysts remains a challenge. Here, we developed a spin-state and delocalized electron regulation method to optimize oxygen evolution reaction (OER) performance by in-situ growth of NiCo2(OH)x using Oswald ripening and coordinating etching process on MXene and plasma treatment. X-ray absorption spectroscopy, magnetic tests and electron paramagnetic resonance reveal that the coupling of NiCo2(OH)x and MXene can induce remarkable spin-state transition of Co3+ and transition metal ions electron delocalization, plasma treatment further optimizes the 3d orbital structure and delocalized electron density. The unique Jahn-Teller phenomenon can be brought by the intermediate spin state (t2g5eg1) of Co3+, which benefits from the partial electron occupied eg orbitals. This distinct electron configuration (t2g5eg1) with unpaired electrons leads to orbital degeneracy, that the adsorption free energy of intermediate species and conductivity were further optimized. The optimized electrocatalyst exhibits excellent OER activity with an overpotential of 268 mV at 10 mA cm−2. DFT calculations show that plasma treatment can effectively regulate the d-band center of TMs to optimize the adsorption and improve the OER activity. This approach could guide the rational design and discovery of electrocatalysts with ideal electron configurations in the future.
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