Synergistic Atomic Environment Optimization of Nickel–Iron Dual Sites by Co Doping and Cr Vacancy for Electrocatalytic Oxygen Evolution

化学 兴奋剂 吸附 过电位 空位缺陷 密度泛函理论 析氧 X射线光电子能谱 无机化学 催化作用 化学工程 物理化学 结晶学 计算化学 电化学 电极 有机化学 光电子学 生物化学 工程类 材料科学
作者
Hua‐Jie Niu,Nian Ran,Wei Zhou,Wei An,Chuanxue Huang,Wenxing Chen,Min Zhou,Wen-Feng Lin,Jianjun Liu,Lin Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.4c14675
摘要

The dual-site synergistic catalytic mechanism on NiFeOOH suggests weak adsorption of Ni sites and strong adsorption of Fe sites limited its activity toward alkaline oxygen evolution reaction (OER). Large-scale density functional theory (DFT) calculations confirm that Co doping can increase Ni adsorption, while the metal vacancy can reduce Fe adsorption. The combined two factors can further modulate the atomic environment and optimize the free energy toward oxygen-containing intermediates, thus enhancing the OER activity. Accordingly, we used Co doping and Cr vacancies to fabricate an amorphous catalyst of VCr,Co-NiFeOOH. It provides an OER overpotential of 239 mV at 100 mA cm–2 and high stability over 500 h at 500 mA cm–2 with a ∼98% potential retention. The resulting water electrolyzer based on an anion exchange membrane (AEM) exhibits a remarkable performance of 1 A cm–2 at 1.68 V in 1 M KOH. XPS, soft-XAS, and XANES combined with Bader charge analysis results reveal that the regulation of the local microenvironment can increase the valence state of Ni by Co doping, thus improving the adsorption energy on Ni sites. The Cr vacancy can alleviate the strong adsorption on Fe sites. DFT calculations confirm that the synergistic effect of Co doping and Cr vacancies can redistribute the charge on the Ni/Fe sites, optimize the d-band center of Ni and Fe, and endow the catalyst with Ni–Fe dual sites to reduce the energy barrier of the OER rate-determining step.
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