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Electrochemical hydroxidation of sulfide for preparing sulfur-doped NiFe (oxy) hydroxide towards efficient oxygen evolution reaction

析氧 硫黄 硫化物 氧气 电化学 材料科学 无机化学 氢氧化物 硫化氢 电极 化学 兴奋剂 物理化学 有机化学 光电子学
作者
Wei Liu,Xiting Wang,Fan Wang,Xianglin Liu,Yu Zhang,Wenting Li,Yuzheng Guo,Huayi Yin,Dihua Wang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:454: 140030-140030 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.140030
摘要

• The low-cost (NiFe)OOH-S catalytic layer in situ grows on the NiFe foam by combining surface reconstruction and electrochemical oxidation. • (NiFe)OOH-S shows competitive alkaline catalytic OER performance (238 mV @ 10 mA cm -2 ). • The S doping results in the super hydrophilic surface (CA≈0 o ) and optimizes the free energy of the formation of OER intermediates, improving the OER activity. • A water electrolyzer driven by solar energy is operated at industrial conditions. The well-known NiFe hydroxides show tremendous promise as low-cost oxygen evolution reaction (OER) catalysts, which however suffer from the rapid decline of activity at current densities exceeding 100 mAcm -2 . Herein, we constructed a sulfur-doped OER electrode ((Ni 7 Fe 3 )OOH-S) by facile sulfurization and anodic displacement processes. The as-prepared (Ni 7 Fe 3 )OOH-S electrode shows an overpotential of 238 mV at 10 mA cm -2 in 1 M KOH at 25 o C, which is due to the high intrinsic catalytic activity, the super hydrophilic nature of the electrode for the S dopant. DFT calculations reveal that the S dopant changes the electronic structure and charge density (NiFe)OOH, thereby optimizing the OER rate-determining step, improving the binding energy for OER intermediates, which ensures the high intrinsic catalytic activity. In addition, the long-term stability (e.g., 200 h) at industrial-level current density (399 mV at 500 mA cm -2 ) holds the promise for the real application of the (Ni 7 Fe 3 )OOH-S electrode. Furthermore, a solar-powered electrolyzer consisting of the (Ni 7 Fe 3 )OOH-S anode and a 20% Pt/C@CC cathode operates successfully at a low voltage of 1.46 V(10 mA cm -2 ) in 10 M KOH at 75 o C. Overall, the combined sulfidation and anodic displacement approach could be a general approach to prepare efficient and durable catalysts for water electrolyzers.
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