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董斌/柴永明Small:Co, S-Fe3O4/IF高效催化OER

董斌/柴永明Small:Co, S-Fe3O4/IF高效催化OER
富含元素的電催化劑的電子調(diào)節(jié)和表面重構(gòu)對(duì)于有效的析氧反應(yīng)(OER)至關(guān)重要。基于此,中國(guó)石油大學(xué)(華東)董斌副教授和柴永明教授等人報(bào)道了一種在泡沫鐵上生長(zhǎng)的反尖晶石Co, S原子對(duì)共摻雜Fe3O4(Co, S-Fe3O4/IF),作為高效的OER電催化劑。
在1000 mA cm?2的電流密度下其表現(xiàn)出349 mV的低過電位、43.3 mV dec?1的Tafel斜率,以及在堿性介質(zhì)中200 h的電解穩(wěn)定性。
董斌/柴永明Small:Co, S-Fe3O4/IF高效催化OER
通過DFT計(jì)算,作者研究了Co-FeOOH-Ov的催化機(jī)理。分析CoFeOOH-Ov、Co-FeOOH和FeOOH上OER途徑的自由能變化,發(fā)現(xiàn)O*到OOH*是所有方面的額定決定步驟。FeOOH顯示出1.11 eV的高能量勢(shì)壘,使得OOH*很難由O*產(chǎn)生。Co摻雜產(chǎn)生了0.78 eV的較低能壘。
特別是,Co-FeOOH-Ov表面上異質(zhì)Co和氧空位的共存將速率決定步驟的能壘降低到0.29 eV,表明OER的反應(yīng)中間體的比例關(guān)系被打破。
董斌/柴永明Small:Co, S-Fe3O4/IF高效催化OER
此外,通過Fe3O4、Co-Fe3O4、FeOOH、Co-FeOOH和Co-FeOOH-Ov五種模型的計(jì)算水吸附能發(fā)現(xiàn),對(duì)于Fe3O4和Co-Fe3O4,H2O的吸附能是正值,而基于FeOOH的模型上的H2O吸附能是負(fù)值,表明H2O在基于FeOOH的材料上的吸附要快得多,也更容易。
其中,Co-FeOOH-Ov的水吸附能是最自發(fā)的,表明在具有Co摻雜和氧空位的FeOOH表面上更有利地形成催化劑-H2O,而該催化劑構(gòu)型的快速構(gòu)建可以進(jìn)一步促進(jìn)整個(gè)水分解過程的動(dòng)力學(xué)速率。
董斌/柴永明Small:Co, S-Fe3O4/IF高效催化OER
Dynamically Stabilized Electronic Regulation and Electrochemical Reconstruction in Co and S Atomic Pair Doped Fe3O4 for Water Oxidation. Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202301255.
https://doi.org/10.1002/smll.202301255.

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