Synergistic Chalcogenate and Fluorine Engineering on Metal Oxyhydroxides Breaks the OER Scaling Relationship

过电位 析氧 催化作用 分解水 电负性 电化学 磷化物 无机化学 吸附 化学工程 化学 物理化学 电极 有机化学 光催化 工程类
作者
Keyu Wang,Shiyi Li,Jiankun Li,Chen Liang,Jiayu Li,Linfeng Lei,Minghui Zhu,Linzhou Zhuang,Jun Chen,Zhi Ping Xu,Xiangdong Yao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (42): e202511112-e202511112 被引量:3
标识
DOI:10.1002/anie.202511112
摘要

The oxygen evolution reaction (OER), a bottleneck in electrochemical water splitting, is fundamentally limited by a scaling relationship between the binding energies of key intermediates (OH* and OOH*), imposing a minimum theoretical overpotential of 0.37 eV. Breaking this scaling relationship is crucial for enhancing OER activity, yet effective strategies remain scarce. We demonstrate that the introduction of high-electronegativity fluorion on chalcogenate-adsorbed nickel-iron oxyhydroxide (NiFeOOH) significantly shortens hydrogen bonds between the chalcogenate and OER intermediates (*OH and *OOH). This shortening promotes proton transfer kinetics and lowers the theoretical overpotential to 0.27 eV. Guided by these calculations, the co-adsorption of chalcogenate and fluorion on metal oxyhydroxide (NiFeSF-R) catalyst is synthesized, and it achieves 1.0 A cm-2 at an ultralow overpotential of 304 mV in 1.0 M KOH, a substantial improvement of 106 and 182 mV compared to NiFeS-R and NiFe, respectively. Notably, NiFeSF-R exhibits exceptional stability, sustaining 1.0 A cm-2 for over 500 h with negligible degradation. In an anion exchange membrane water electrolyzer, the NiFeSF-R anode stably achieves 1.0 A cm-2 at 1.73 V for 700 h at 50 °C. This work highlights the potential of local coordination environment tuning to break scaling relationships for high-performance OER catalysts.
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