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成会明/刘岗Nano Energy：拓扑转换诱导NiFeOOH中低配位Fe活性中心实现高效OER

2022-12-14 23:46130admin

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电化学水分解被认为是实现高纯度大规模制氢的可行策略。然而，具有多质子/电子耦合步骤的释氧反应(OER)的缓慢动力学过程导致高电池电压(1.8~2.4 V)才能达到200~400mA cm -2 的电流密度。虽然目前最先进的IrO 2 或RuO 2 基贵金属氧化物具有最有效的OER电催化活性，但由于其稳定性不理想、成本高和稀缺性，严重制约了贵金属氧化物催化剂的广泛商业应用。为了解决这些问题，迫切需要开发高效，低成本和地球丰富的长期稳定的OER催化剂。
基于此， 中科院金属研究所成会明 和 刘岗 等利用电化学拓扑转变在泡沫镍上直接生长具有丰富铁活性中心的超薄γ-NiFeOOH NSs，用作高效稳定OER电极。
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)结果显示，NiFeOOH中未被占用的金属中心可能形成了低配位数的铁中心。此外，NiFeOOH中Fe和Ni中心之间的协同作用调节了Fe中心的局部配位环境和电子结构，从而触发了优越的OER活性。由于Fe/Ni金属中心的协同效应以及NiFeOOH NSs与导电衬底之间的强粘附作用，在10 mA cm -2 的电流密度下，由拓扑转换过程(NiFeOOH-T)得到的NiFeOOH电极具有210 mV的低OER过电位和32 mV dec -1 的低Tafel斜率。重要的是，NiFeOOH-T电极在400~600 mA cm -2 的大电流密度下可以连续运行超过2000小时。
NiFeOOH-T电极对OER和HER也表现出双功能催化活性，利用NiFeOOH-T电极构建的电解槽仅需1.67 V就能获得10 mA cm -2 的电流密度。此外，当采用高效的NiMoO 4 -NH 3 电极作为对电极时，NiFeOOH-T//NiMoO 4 -NH 3 电解槽仅需1.6 V就能获得400 mA cm -2 的电流密度；并且NiFeOOH-T//NiMoO 4 -NH 3 电解槽在400 mA cm -2 电流密度下的能量效率高达77%，远高于Ir/C//Pt/C电解槽(63%)。
Topologic Transition-Induced Abundant Undercoordinated Fe Active Sites in NiFeOOH for Superior Oxygen Evolution. Nano Energy, 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.108044

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