Surface reconstruction and structural transformation of two-dimensional Ni-Fe MOFs for oxygen evolution in seawater media

过电位 材料科学 分解水 析氧 催化作用 化学工程 电子转移 冶金 无机化学 化学 物理化学 工程类 电化学 光催化 有机化学 电极
作者
Liyuan Xiao,Xue Bai,Jingyi Han,Tianmi Tang,Siyu Chen,Hui Qi,Changmin Hou,Fuquan Bai,Zhenlü Wang,Jingqi Guan
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (4): 2429-2437 被引量:81
标识
DOI:10.1007/s12274-023-6088-x
摘要

As a four-electron transfer reaction, oxygen evolution reaction (OER) is limited by large overpotential and slow kinetics. Here, we in-situ synthesized two-dimensional (2D) Ni-Fe metal-organic framework nanosheets on nickel foam (NixFe-TPA/NF, TPA = terephthalic acid) for oxygen evolution in alkaline and alkaline seawater electrolytes. In 1 M KOH, Ni3Fe-TPA/NF shows a low overpotential (η10) of 189 mV at 10 mA·cm−2 and an ultra-low overpotential of only 260 mV at 500 mA·cm−2. In alkaline seawater, Ni3Fe-TPA/NF still provides impressive OER performance, with an η10 of 265 mV. In-situ Raman characterization results show that the phase transition occurs during the OER, and Ni3FeOOH with more oxygen vacancies is in-situ formed, reducing the OER energy barrier. Density functional theory (DFT) reveals that the synergy between Ni and Fe reduces the energy barrier and accelerates the rate-determining step. In addition, the ultra-thin 2D sheet structure and the close combination of Ni3FeOOH and highly conductive NF support ensure the high catalytic OER activity. Therefore, the surface reconstruction and structural modification strategy can be used to design and prepare high-performance OER electrocatalysts for energy-related applications.
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