High-Density W Single Atoms in Two-Dimensional Spinel Oxide Break the Structural Integrity for Enhanced Oxygen Evolution Catalysis

化学 尖晶石 催化作用 氧气 氧化物 氧原子 析氧 结构完整性 化学物理 化学工程 纳米技术 结晶学 物理化学 分子 冶金 有机化学 工程类 结构工程 电化学 材料科学 电极
作者
Yong Wang,Baorui Jia,Wanjun Qin,Yuhang Wang,Sijia Liu,Yunpu Qin,Yongzhi Zhao,Luan Liu,Di Zhang,Heng Liu,Haoyin Zhong,Jianfang Liu,Juping Tu,Yadong Liu,Haoyang Wu,Deyin Zhang,Jun Fan,Xuanhui Qu,Hao Li,Mingli Qin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c12122
摘要

The performance of oxygen evolution reaction (OER) catalysts heavily depends on intrinsically active and robust sites as well as high active site number, which poses challenges in catalyst design concerning composition and structure. This study presents a general oxygen-vacancy anchoring strategy for preparing oxide-based 4d/5d transition metal single-atom 2D materials as efficient and robust OER catalysts. In a typical synthesis, Keggin-structure polyoxometalate [PW12O40]3– clusters decompose into tetrahedral WO42– anions, which in situ adhere to the newly nucleated metal (Co, Fe, Ni) hydroxide (M(OH)x) due to the latter's abundant oxygen vacancies, ensuring a uniform distribution of W single atoms. The anchoring of W stabilizes the ultrathin structure, resulting in the annealed W-Co3O4 exhibiting a specific surface area 5–7 times greater than that of pure Co3O4, even though W has three times the atomic weight of Co. Moreover, the strengthened adsorption of OH induced by W breaks the surface structural integrity of Co3O4 to form a highly active oxyhydroxide, while the increased distortion in Co–O octahedrons further enhances the intrinsic activity. As a result, the catalyst shows a low η10 of 261 mV in alkaline media, 84 mV lower than that of pure Co3O4, and an excellent stability of over 290 h. This places it among the best OER catalysts, particularly in comparison to low-activity Ni or -unstable NiFe alternatives.
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