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Valence Alignment of Mixed Ni–Fe Hydroxide Electrocatalysts through Preferential Templating on Graphene Edges for Enhanced Oxygen Evolution

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作者
Constantine Tsounis,Xunyu Lu,Nicholas M. Bedford,Bijil Subhash,Lars Thomsen,Qingran Zhang,Zhipeng Ma,Kostya Ostrikov,Avi Bendavid,Jason Scott,Rose Amal,Zhaojun Han
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (9): 11327-11340 被引量:51
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c03380
摘要

Engineering the metal-carbon heterointerface has become an increasingly important route toward achieving cost-effective and high-performing electrocatalysts. The specific properties of graphene edge sites, such as the high available density of states and extended unpaired π-bonding, make it a promising candidate to tune the electronic properties of metal catalysts. However, to date, understanding and leveraging graphene edge-metal catalysts for improved electrocatalytic performance remains largely elusive. Herein, edge-rich vertical graphene (er-VG) was synthesized and used as a catalyst support for Ni-Fe hydroxides for the oxygen evolution reaction (OER). The hybrid Ni-Fe/er-VG catalyst exhibits excellent OER performance with a mass current of 4051 A g-1 (at overpotential η = 300 mV) and turnover frequency (TOF) of 4.8 s-1 (η = 400 mV), outperforming Ni-Fe deposited on pristine VG and other metal foam supports. Angle-dependent X-ray absorption spectroscopy shows that the edge-rich VG support can preferentially template Fe-O units with a specific valence orbital alignment interacting with the unoccupied density of states on the graphene edges. This graphene edge-metal interaction was shown to facilitate the formation of undersaturated and strained Fe-sites with high valence states, while promoting the formation of redox-activated Ni species, thus improving OER performance. These findings demonstrate rational design of the graphene edge-metal interface in electrocatalysts which can be used for various energy conversion and chemical synthesis reactions.
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