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Manipulating d-Band Center of Nickel by Single-Iodine-Atom Strategy for Boosted Alkaline Hydrogen Evolution Reaction

化学 氢原子 Atom(片上系统) 中心(范畴论) 无机化学 结晶学 有机化学 计算机科学 嵌入式系统 烷基
作者
Chongjing Liu,Beibei Sheng,Quan Zhou,Yujian Xia,Ying Zou,Peter Joseph Chimtali,Dengfeng Cao,Yongheng Chu,Sirui Zhao,Ran Long,Shuangming Chen,Li Song
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (39): 26844-26854 被引量:59
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07607
摘要

Ni-based electrocatalysts have been predicted as highly potential candidates for hydrogen evolution reaction (HER); however, their applicability is hindered by an unfavorable d-band energy level (Ed). Moreover, precise d-band structural engineering of Ni-based materials is deterred by appropriative synthesis methods and experimental characterization. Herein, we meticulously synthesize a special single-iodine-atom structure (I-Ni@C) and characterize the Ed manipulation via resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) spectroscopy to fill this gap. The complex catalytic mechanism has been elucidated via synchrotron radiation-based multitechniques (SRMS) including X-ray absorption fine structure (XAFS), in situ synchrotron radiation-based Fourier transform infrared (SR-FTIR) spectroscopy, and near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS). In particular, RIXS is innovatively applied to reveal the precise regulation of Ni Ed of I-Ni@C. Consequently, the role of such single-iodine-atom strategy is confirmed to not only facilitate the moderate Ed of the Ni site for balancing the adsorption/desorption capacities of key intermediates but also act as a bridge to enhance the electronic interaction between Ni and the carbon shell for forming a localized polarized electric field conducive to H2O dissociation. As a result, I-Ni@C exhibits an enhanced alkaline hydrogen evolution performance with an overpotential of 78 mV at 10 mA/cm2 and superior stability, surpassing the majority of the reported Ni-based catalysts. Overall, this study has managed to successfully tailor the d-band center of materials from the SRMS perspective, which has crucial implications for nanotechnology, chemistry, catalysis, and other fields.
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