Atomic Cerium Boosts Oxygen Evolution via Electronic Coupling in Defective CoFe-Layered Double Hydroxides

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作者
Yangchun Guo,Tingting Wei,Xiaodong Hao,Xuan Zhao,Zhen-Hong He,Qiheng Ma,Zhuangzhuang Hu,Shufang Ma,Xiaoxu Liu,Bingshe XU
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (6): 10590-10600 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.5c23886
摘要

The development of efficient and durable nonprecious electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) is critical for sustainable hydrogen production. In this study, a defective CoFe-layered double hydroxide (LDH) support is engineered to stabilize isolated cerium atoms via a facile one-step coprecipitation approach. The resulting single-atom catalyst, denoted Ce0.2CoFe-LDH, is thoroughly characterized by atomic-resolution electron microscopy and synchrotron-based X-ray spectroscopy, which confirm the atomic dispersion of Ce3+ species anchored at cation vacancy sites within the LDH matrix. A strong electronic interaction between Ce and Co/Fe sites is observed, leading to charge redistribution that increases the valence states of transition metals and activates dynamic Ce3+/Ce4+ redox cycling. The optimized catalyst exhibits outstanding OER performance in alkaline media, achieving an overpotential as low as 227 mV at 10 mA·cm–2, a Tafel slope of 48.3 mV·dec–1, and excellent stability over 50 h of continuous operation. Electrochemical measurements indicate facilitated charge transfer and an increased electrochemically active surface area. First-principles calculations further reveal that Ce atoms occupying Co vacancies significantly optimize the adsorption of reaction intermediates, reduce the energy barrier of the rate-determining step to 1.81 eV, and induce metallic character through an upshift of the d-band center. This work establishes defect-driven single-atom anchoring as an effective strategy for electronic structure modulation and reaction pathway optimization in LDH-based electrocatalysts, offering valuable insights for the design of high-performance energy conversion materials.
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