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Oxygen-Inserted Top-Surface Layers of Ni for Boosting Alkaline Hydrogen Oxidation Electrocatalysis

化学 催化作用 氢氧化物 吸附 无机化学 氧气 电子结构 碱金属 化学工程 物理化学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Yana Men,Xiaozhi Su,Peng Li,Yue Tan,Chuangxin Ge,Shuangfeng Jia,Lei Li,Jianbo Wang,Gongzhen Cheng,Lin Zhuang,Shengli Chen,Wei Luo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (28): 12661-12672 被引量:166
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01448
摘要

Precisely tailoring the electronic structures of electrocatalysts to achieve an optimum hydroxide binding energy (OHBE) is vital to the alkaline hydrogen oxidation reaction (HOR). As a promising alternative to the Pt-group metals, considerable efforts have been devoted to exploring highly efficient Ni-based catalysts for alkaline HOR. However, their performances still lack practical competitiveness. Herein, based on insights from the molecular orbital theory and the Hammer-Nørskov d-band model, we propose an ingenious surface oxygen insertion strategy to precisely tailor the electronic structures of Ni electrocatalysts, simultaneously increasing the degree of energy-level alignment between the adsorbed hydroxide (*OH) states and surface Ni d-band and decreasing the degree of anti-bonding filling, which leads to an optimal OHBE. Through the pyrolysis procedure mediated by a metal-organic framework at a low temperature under a reducing atmosphere, the obtained oxygen-inserted two atomic-layer Ni shell-modified Ni metal core nanoparticle (Ni@Oi-Ni) exhibits a remarkable alkaline HOR performance with a record mass activity of 85.63 mA mg-1, which is 40-fold higher than that of the freshly synthesized Ni catalyst. Combining CO stripping experiments with ab initio calculations, we further reveal a linear relationship between the OHBE and the content of inserted oxygen, which thus results in a volcano-type correlation between the OH binding strength and alkaline HOR activity. This work indicates that the oxygen insertion into the top-surface layers is an efficient strategy to regulate the coordination environment and electronic structure of Ni catalysts and identifies the dominate role of OH binding strength in alkaline HOR.
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