Cerium guided site-selective crystal disorder engineering of MIL-88B(Ni) frameworks for electrocatalysis offering high-performance water oxidation

材料科学 析氧 阳极 结晶度 电催化剂 无定形固体 化学工程 金属有机骨架 电化学 兴奋剂 纳米技术 电极 结晶学 复合材料 物理化学 冶金 光电子学 化学 吸附 工程类
作者
Nabeen K. Shrestha,Supriya A. Patil,Jun Ho Seok,Amol S. Salunke,Sangeun Cho,Akbar I. Inamdar,Young S. Park,Sang Uck Lee,Hyungsang Kim,Hyunsik Im
出处
期刊:Materials Today Physics [Elsevier]
卷期号:38: 101252-101252 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.mtphys.2023.101252
摘要

Engineering the degree of crystallinity is an attractive route to expose unsaturated coordinative metal nodes that act as active electrocatalytic sites in metal-organic frameworks (MOFs). Herein, we develop a novel strategy to induce site-selective disordering of the crystalline structure of MIL88B(Ni) frameworks via Ce-doping, resulting crystalline/amorphous heterostructures. X-ray diffraction and electron microscopy analyses reveal that Ce-rich spherical regions in the framework are amorphous while Ce-deficient flat sheets are crystalline. Comparatively, an optimally Ce-doped MIL-88B(Ni)/NF(nickel foam) anode exhibits significantly lower overpotentials (η) of 205, 290, 410 and 450 mV to drive the oxygen evolution reaction (OER) under current densities of 10, 100, 1000 and 2000 mAcm−2, respectively with a superior kinetic of 46.09 mVdec−1 and a larger turnover frequency (TOF@η = 330 mV) of 0.36 s−1. DFT calculations support the experimentally observed Ce3+ ion doping effect in inducing site-selective crystal disorder on MIL-88B(Ni) framework structure, and hence on the OER electrocatalytic activity enhancement. In addition to the remarkably high OER performance, the optimized Ce-doped MIL-88B(Ni)/NF anode exhibits superbly enhanced electrochemical durability over 146 h against industrially relevant high biases of up to 1000 mAcm−2 in 1.0 M KOH solution, thus demonstrating that Ce-doped MIL88B(Ni)/NF is a highly promising industrially relevant high-performance anode material for electrocatalyzing the OER.
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