Redefining Fe-doping effects: Solution-phase redox cycling dominates pre-lattice Ni3+ formation and 2/1.5D nanostructure for enhanced OER

过电位 纳米结构 氧化还原 析氧 电子转移 材料科学 兴奋剂 纳米技术 化学工程 催化作用 热液循环 化学 氧气 电催化剂 纳米材料 电子传输链 无机化学 自组装 电极 电化学
作者
Jiarong Huang,Meng‐Yuan Xie,Minghua Xian,Yan Luo,Jianhang Nie,Zhen-Yang Ou-Yang,Qiong-Xing Wang,Gui‐Fang Huang,Wei‐Qing Huang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:127 (10) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0287885
摘要

Fe doping is widely known to enhance the oxygen evolution reaction (OER) activity of Ni-based electrocatalysts; however, the underlying mechanisms remain controversial, with interpretations focused on post-incorporation effects. Here, we uncover a previously overlooked pre-incorporation mechanism: Fe3+-mediated redox cycling in solution that directly generates high-valent Ni3+ species, facilitating the formation of catalytically active Ni2O3H and nanostructures. Under hydrothermal conditions, spontaneous electron transfer occurs from Ni2+ to Fe3+, yielding Ni3+, while simultaneous regeneration of Fe2+ sustains a self-perpetuating redox cycle for continuous Ni2+ oxidation. Remarkably, at ultra-low Fe3+ concentrations, a hybrid morphology featuring both 2D and 1.5D structural characteristics emerges. Most Fe3+ precipitates as colloidal Fe(OH)3 without incorporation into the lattice, particularly near critical doping thresholds. The trace Fe-induced 2/1.5D nanostructures exhibit superior OER performance, achieving a current density of 10 mA cm−2 at an overpotential of merely 225 mV––comparable to that of heavily doped counterparts. Additionally, Fe doping synergistically activates both the lattice oxygen mechanism and the adsorbate evolution mechanism. These findings reveal a paradigm in Fe–Ni catalyst design, wherein controlled dopant-mediated redox chemistry and nanostructure play pivotal roles in optimizing electrocatalytic performance.
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