Tuning the Electrocatalytic Activity of Co3O4 through Discrete Elemental Doping

过电位 材料科学 掺杂剂 兴奋剂 费米能级 催化作用 电催化剂 化学物理 离域电子 无机化学 物理化学 电子 光电子学 电化学 电极 化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Jayashree Swaminathan,Anand B. Puthirath,Mihir Ranjan Sahoo,Saroj K. Nayak,Gelu Costin,Róbert Vajtai,Tiva Sharifi,Pulickel M. Ajayan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (43): 39706-39714 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsami.9b06815
摘要

To gain constructive insight into the possible effect of doping on the electrocatalytic activity of materials, a catalytic framework with a discrete distribution of dopants is an appropriate model system. Such a system assures well-defined active centers, maximum atom utilization efficiency, and hence enhanced selectivity, catalytic activity, and stability. Herein, a comprehensive investigation of the electrocatalytic activity of iron-doped cobalt oxide (Fe-Co3O4) nanosheets is presented. In order to understand the contribution of dopants, a series of materials with controlled doping levels are investigated. By controlled iron inclusion into the structure of Co3O4, an apparent improvement in the oxygen evolution reaction activity which is reflected in the decrease of 160 mV in the overpotential to reach the current density of 10 mA/cm2 is manifested. Additionally, it is shown that there exists an optimum doping content above which the catalytic activity fades. Further investigation of the system with density functional calculations reveals that, along with the optimization of adsorption energy toward the reaction intermediates, substantial downshift of the Fermi level and delocalization of electron density occurs on introducing iron ions into the structure.
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