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Biomimetic Non‐Coplanar Multilayer Defense Architecture Achieves High Current Density Chloride‐Resistant Seawater Oxidation

海水 材料科学 催化作用 密度泛函理论 氯化物 热液循环 析氧 电流密度 电解 吸附 氧化还原 合理设计 电解水 化学工程 电催化剂 电化学 纳米技术 活动中心 分解水 设计要素和原则 化学物理 原子轨道 纳米孔 氧气 无机化学 本体电解 费米能级
作者
Jinke Shen,Shuo Yan,Hongyu Mi,Fengjiao Guo,Haiyan Jin,Liming Jin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (44) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/aenm.202503465
摘要

Abstract Rational design of highly active and Cl − ‐tolerant electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) is critical to enabling practical seawater electrolysis for hydrogen production. Herein, a novel MCF‐LDH catalyst with a biomimetic ‘Clam‐Shield’ multilevel defense system is synthesized via hydrothermal and in situ redox methods. The innovative z ‐axis non‐coplanar architecture of functional layers enables synergistic chloride resistance via physical blocking (MnO 2 barrier) and electrostatic repulsion (CO 3 2− interlayers). Density functional theory (DFT) calculations elucidate that the MnO 2 modulates the d ‐band center of CoFe‐LDH, while the catalyst exhibits a pronounced thermodynamic preference for OH − adsorption (−1.89 eV) over Cl − (−0.35 eV), thereby stabilizing critical reaction intermediates. Furthermore, the density of states (DOS) analysis of MCF‐LDH reveals enhanced continuity of Fe‐3 d and Co‐3 d orbitals near the Fermi energy ( E f ), indicating improved electronic conductivity. This ‘axial dislocation‐functional synergy’ strategy endows MCF‐LDH with exceptional electrocatalytic performance, delivering low overpotentials of 277 and 304 mV at 300 and 500 mA cm −2 , respectively. Moreover, the MCF‐LDH catalyst presents outstanding long‐term stability, retaining 99.4% and 97.8% of its initial activity after 600 h at high current densities of 500 and 1000 mA cm −2 in alkaline seawater electrolyte. This study provides a promising design strategy for chloride‐resistant OER electrocatalysts.
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