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Impregnation of metal ions on ZIF-67 towards the production of mixed-metals spinels for OER electrocatalysis

电催化剂 无机化学 化学 金属 材料科学 冶金 物理化学 电化学 电极
作者
Annaíres de Almeida Lourenço,Rafael A. Raimundo,Ricardo Francisco Alves,Rodolfo Bezerra da Silva,Daniel A. Macedo,Fausthon Fred da Silva
出处
期刊:Journal of Solid State Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:348: 125352-125352 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.jssc.2025.125352
摘要

Electrochemical water splitting is a key method for sustainable hydrogen (H 2 ) production, but its efficiency is hindered by the slow kinetics and high overpotential of the oxygen evolution reaction (OER). This study investigates the synthesis and OER electrocatalytic performance of MCo 2 O 4 (M = Co, Fe, Ni, Mn, or Zn) nanoparticles derived from ZIF-67, named here Co 3 O 4 , Co 3 O 4 (Fe), Co 3 O 4 (Ni), Co 3 O 4 (Mn), and Co 3 O 4 (Zn). Here, a systematic detailed study was also conducted to investigate the influence of metal cation impregnation on ZIF-67 and its impact on the OER electrocatalytic activity of these transition metal cobaltites nanoparticles . The materials were obtained via direct calcination of the previously modified ZIF-67, and the impregnation process was also investigated. Structural (XRD), physicochemical (Raman spectroscopy, FT-IR and UV-VIS), and magnetic characterizations confirm the formation of pure crystalline phases for Co 3 O 4 , NiCo 2 O 4 , MnCo 2 O 4 , and ZnCo 2 O 4 , while the Fe-modified sample resulted in a nanocomposite (FeCo 2 O 4 /Co 3 O 4 ). Morphological analysis revealed highly agglomerated sphere-like nanoparticles , with sizes between 12.1 nm (Co 3 O 4 (Fe)) and 20.8 nm (Co 3 O 4 (Mn)). OER performance in 1.0 M KOH showed overpotential values of 330 mV, 318 mV, 321 mV, 316 mV, and 310 mV for Co 3 O 4 , Co 3 O 4 (Fe), Co 3 O 4 (Ni), Co 3 O 4 (Mn), and Co 3 O 4 (Zn), respectively, at 10 mA cm −2 . Tafel slopes ranged from 64.13 mV dec −1 (Co 3 O 4 (Fe)) to 97.42 mV dec −1 (Co 3 O 4 (Ni)), indicating a surface adsorption-controlled kinetics. Co 3 O 4 (Zn) exhibited the highest electrochemical surface area (123.50 cm 2 ) and double-layer capacitance (4.94 mF), correlating with superior electrocatalytic performance. Stability tests confirmed chemical durability for up to 15 h. These results demonstrate the potential of ZIF-67-derived transition metal cobaltites as effective OER electrocatalysts , with Co 3 O 4 (Zn) showing the most promising activity.
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