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【DFT+實驗】Nature子刊:FeCo/CeO2?xNx復(fù)合電極作為穩(wěn)定的OER催化劑

【DFT+實驗】Nature子刊:FeCo/CeO2?xNx復(fù)合電極作為穩(wěn)定的OER催化劑
開發(fā)具有析氧反應(yīng)(OER)活性的非貴金屬電催化劑,是實現(xiàn)電化學(xué)水分解法大規(guī)模制氫的關(guān)鍵。
基于此,吉林大學(xué)蔣青教授和郎興友教授(共同通訊作者)等人報道了一種由交替的納米多孔雙金屬鐵鈷合金/氫氧化物和氮化氧化鈰(FeCo/CeO2-xNx)異質(zhì)膜組成的自支撐層狀復(fù)合電極作為堿性O(shè)ER的高效電催化劑。
納米孔FeCo/CeO2-xNx復(fù)合電極在1 M KOH中表現(xiàn)出優(yōu)異的OER電催化性能,具有約33 mV dec?1的超低Tafel斜率。在過電位低至360 mV時,電流密度可達(dá)到3900 mA cm?2,并在約1900 mA cm?2可穩(wěn)定保持1000 h。
通過DFT計算,作者發(fā)現(xiàn)納米多孔FeCo/CeO2-xNx復(fù)合電極中CoFeOOH與CeO2-xNx有協(xié)同作用。Bader電荷分析闡明了加入N后電子結(jié)構(gòu)的變化,CoFeOOH/CeO2-xNx中CeO2-xNx向CoFeOOH的電子轉(zhuǎn)移多于CoFeOOH/CeO2中CeO2向CoFeOOH的電子轉(zhuǎn)移。CoFeOOH/CeO2-xNx中的Co原子電荷較低,為+1.18 |e|,而CoFeOOH/CeO2中的Co原子電荷為+1.24 |e|,裸CoFeOOH中的Co原子電荷為+1.45 |e|。
【DFT+實驗】Nature子刊:FeCo/CeO2?xNx復(fù)合電極作為穩(wěn)定的OER催化劑
假設(shè)中間體在電活性Co原子上的吸附首先是OH?離子的吸附,然后依次脫質(zhì)子生成*O,O-O鍵生成*OOH,解吸生成氧氣,在堿性O(shè)ER過程中,U=1.23 V下CoFeOOH/CeO2-xNx、CoFeOOH/CeO2和裸CoFeOOH上中間體和生成物的吉布斯自由能分布(?G)。
在CoFeOOH/CeO2-xNx介導(dǎo)下,OER的速率決定步驟(RDS)為*O中間體與另一個OH?反應(yīng)形成O-O鍵,其中?GRDS低至~0.44 eV。具有最低能壘的CoFeOOH/CeO2-xNx界面作為電活性位點,極大地促進(jìn)OER動力學(xué)。
【DFT+實驗】Nature子刊:FeCo/CeO2?xNx復(fù)合電極作為穩(wěn)定的OER催化劑
Lamella-heterostructured nanoporous bimetallic iron-cobalt alloy/oxyhydroxide and cerium oxynitride electrodes as stable catalysts for oxygen evolution. Nat. Commun., 2023.

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