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休斯顿大学任志锋教授AM:d-(Fe, Ni)OOH工业条件下高效催化OER

开发工业条件下具有长期催化耐久性和结构稳定性的非贵金属催化剂,对于实现碱性阴离子交换膜(AEM)水电解实用化的关键。


基于此,美国休斯顿大学任志锋教授等人报道了一种节能合成富含缺陷铁镍(FeNi)氢氧化物的方法,以提高析氧反应(OER)的稳定性和效率。优化后的d-(Fe Ni)OOH催化剂在实验室和工业条件下均表现出优异的催化活性和长期耐久性,其中大面积的d-(Fe, Ni)OOH||NiMoN对在AEM电解槽中,在12.5 A的绝对电流下,需要1.795 V即达到500 mA cm−2的电流密度,用于整体水电解,显示出巨大的工业水电解潜力。
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通过密度泛函理论(DFT)计算,作者研究了催化机理。文中,作者构建了FeOOH、(Fe, Ni)OOH和d-(Fe, Ni)OOH三种模型来研究OER过程中涉及的基本步骤。
(Fe, Ni)OOH和d-(Fe, Ni)OOH的态密度(DOS)值在费米能级附近呈连续分布,与FeOOH相反,表明Ni的引入可以将非金属FeOOH调整到金属态,而缺陷的产生并不能消除该特征。(Fe, Ni)OOH的电荷密度差显示,在Fe和Ni位点之间的O位点上有明显的电子积累,表明这些原子之间存在电荷交换和电子调节。
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d-(Fe, Ni)OOH中形成氧缺陷后,Fe和Ni位点都发生了电子积累,而缺陷位点则发生了强烈的电子消耗,有利于缺陷位点碱性电解质中带负电荷OH-的吸收和随后的OER。对于(Fe,Ni)OOH,第四步Fe位点的ΔGmax值为2.011 eV,远低于第二步Ni位点的ΔGmax值,表明(Fe, Ni)OOH中的Fe位点更有可能是OER催化的活性位点。
结果表明,FeOOH和(Fe, Ni)OOH的RDS都是在Fe位点解吸生成O2,而Ni的引入加速了Fe位点的该过程,降低了(Fe, Ni)OOH中OER的活化能垒,第三步d-(Fe, Ni)OOH的ΔGmax值为1.478 eV,生成*OOH的O-O键形成是该催化剂的RDS。氧缺陷可以进一步调节Fe和Ni位点上的电荷交换和电子再分配,使得d-(Fe, Ni)OOH成为双活性催化剂。
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Boosting Oxygen Evolution Reaction of (Fe, Ni)OOH via Defect Engineering for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis Under Industrial Conditions. Adv. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202306097.




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