Direct Synthesis and Anion Exchange of Noncarbonate-Intercalated NiFe-Layered Double Hydroxides and the Influence on Electrocatalysis

层状双氢氧化物 电催化剂 离子交换 催化作用 材料科学 析氧 氯化物 碳酸盐 离子 电解质 无机化学 水热合成 化学工程 化学 热液循环 电化学 氢氧化物 电极 物理化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Lianna Dang,Hanfeng Liang,Junqiao Zhuo,Brandon K. Lamb,Hongyuan Sheng,Yang Yang,Song Jin
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:30 (13): 4321-4330 被引量:186
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.8b01334
摘要

Metal-layered double hydroxides (LDHs), a family of versatile layered materials recently popular as earth-abundant oxygen evolution reaction (OER) catalysts, allow for both metal substitution and interlayer anion exchange without disrupting the two-dimensional (2D) crystal structure, although the ubiquity of carbonate anions is challenging to avoid. Here, we use hydrothermal synthesis in modified solvents with triethanolamine to directly synthesize bulk NiFe LDHs with carbonate, chloride, and sulfate interlayer anions without inert atmosphere protection. Structural characterizations by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, and energy-dispersive X-ray spectroscopy confirm the anion composition. Electrochemical characterization shows that LDHs with these three anions display similar OER catalytic performance after surface area normalization, consistent with observed anion exchange to carbonate in alkaline electrolyte under ambient conditions. However, dodecyl sulfate-intercalated NiFe LDHs prepared by anion exchange show enhanced electrocatalytic performance unexplained by surface area and resist carbonate exchange during electrochemical cycling. The synthetic methods developed for carbonate, chloride, and sulfate LDHs also allow direct fabrication of three-dimensional high surface area electrodes, but the anion composition of these electrodes does not affect the OER performance after surface area normalization. These results provide new insights on how the interlayer anions in LDH materials influence OER catalytic activity and open a new approach for tuning these catalytic materials.
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