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Spin-regulated Ni sites with optimal d-orbital occupancy unlocking unprecedented oxygen evolution activity

占用率 自旋(空气动力学) 氧气 析氧 物理 化学物理 凝聚态物理 化学 纳米技术 材料科学 生物 量子力学 生态学 热力学 电极 电化学
作者
Bin Li,Yanming Yu,Yihao Wang,Ming Xu,Guanjie Li,Simin Xu,Wei Wei,Tingting Cui
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (5): 94907361-94907361 被引量:2
标识
DOI:10.26599/nr.2025.94907361
摘要

Nickel-based layered double hydroxides (LDHs) are widely recognized as promising substitutes for noble metal catalysts in the oxygen evolution reaction (OER). However, conventional Ni2+ sites exhibit a high-spin configuration (dxz2dyz2dxy2dx2−y21dz21) with excessive frontier-orbital occupancy, resulting in weak binding strength towards oxygen intermediates, which dramatically limits their OER performance. Herein, we first report the successful construction of low-spin state Ni2+ (dxz2dyz2dxy2dx2−y22dz20) in NiCoFe-LDH (LS-NCF) through oxygen defect engineering. LS-NCF exhibits a splendid OER activity with an ultra-low overpotential of 241 mV at the current density of 1 A cm−2, which is 79 mV lower than the conventional NiCoFe-LDH with high-spin Ni2+ (HS-NCF) and significantly outperforming previously reported transition metal-based catalysts. Comprehensive studies reveal that LS Ni2+ with reduced dz2 orbital occupancy effectively enhances oxygen intermediates adsorption through reinforcing the orbital hybridization between Ni 3d and O 2p. Moreover, the d-band center of LS Ni2+ is closer to the Fermi level compared to HS Ni2+, thus accelerating electron transfer. Consequently, the strengthened adsorption of *O intermediate and accelerated electron transfer in LS-NCF efficiently lower the reaction energy barrier of the rate-determining step (*O→*OOH), thereby greatly boosting its OER performance. This work provides valuable insights into designing high-performance Ni-based electrocatalysts via spintronic-level engineering.
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