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Entropy-Stabilized Multicomponent Porous Spinel Nanowires of NiFeXO4 (X = Fe, Ni, Al, Mo, Co, Cr) for Efficient and Durable Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction in Alkaline Medium

尖晶石 析氧 材料科学 过电位 分解水 催化作用 塔菲尔方程 化学工程 纳米孔 纳米技术 无机化学 电化学 物理化学 化学 冶金 工程类 光催化 生物化学 电极
作者
Qiwen Zhang,Yixuan Hu,Haofei Wu,Xiaoran Zhao,Mingliang Wang,Sihong Wang,Ruohan Feng,Qing Chen,Fang Song,Mingwei Chen,Pan Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (2): 1485-1494 被引量:71
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c10247
摘要

Cost-effective electrochemical water splitting technology hinges on the development of efficient and durable catalysts for oxygen evolution reaction (OER). Spinel oxides (formula: AxB3–xO4) are structurally stable for real applications. Much effort has been devoted to improving the catalytic activity. Here, we report a eutectic dealloying strategy to activate the porous spinel NiFe2O4 nanowires with up to four metal cation substitutions. As-obtained spinel NiFeXO4 (X = Fe, Ni, Al, Mo, Co, Cr) delivers a benchmark current density of 10 mA·cm–2 at an overpotential of only 195 mV, outperforming most spinel phase OER electrocatalysts and comparable to the state-of-the-art NiFe hydroxides. It is stable for over 115 h of electrolysis. Aberration-corrected transmission electron microscopy, high-resolution electron energy loss spectroscopy, and atomic-scale strain mappings reveal that the multivalent cation substitutions result in substantial lattice distortion and significant electronic coupling of metal 3d and O 2p orbitals for increased covalency. Further theoretical calculations suggest that the NiFeXO4 are stabilized by the high configurational entropy, and their synergy favors the absorption of H2O molecules and lowers the adsorption energy barrier of the OOH* intermediate. The improved intrinsic activity together with the highly nanoporous structures contribute to the appealing apparent catalytic performances. The work demonstrates an effective approach for the synthesis of stable multicomponent spinel oxides and highlights the effectiveness of the multication substitution strategy for producing highly durable and active spinel catalysts, which meet multiplexed structure and superior property requirements in practical applications.
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