Tensile Strain-Mediated Spinel Ferrites Enable Superior Oxygen Evolution Activity

过电位 尖晶石 化学 析氧 化学工程 电极 材料科学 冶金 电化学 物理化学 工程类
作者
Yaotian Yan,Jinghuang Lin,Keke Huang,Xiaohang Zheng,Liang Qiao,Shude Liu,Jian Cao,Seong Chan Jun,Yusuke Yamauchi,Junlei Qi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (44): 24218-24229 被引量:65
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08598
摘要

Exploring efficient strategies to overcome the performance constraints of oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts is vital for electrocatalytic applications such as H2O splitting, CO2 reduction, N2 reduction, etc. Herein, tunable, wide-range strain engineering of spinel oxides, such as NiFe2O4, is proposed to enhance the OER activity. The lattice strain is regulated by interfacial thermal mismatch during the bonding process between thermally expanding NiFe2O4 nanoparticles and the nonexpanding carbon fiber substrate. The tensile lattice strain causes energy bands to flatten near the Fermi level, lowering eg orbital occupancy, effectively increasing the number of electronic states near the Fermi level, and reducing the pseudoenergy gap. Consequently, the energy barrier of the rate-determining step for strained NiFe2O4 is reduced, achieving a low overpotential of 180 mV at 10 mA/cm2. A total water decomposition voltage range of 1.52-1.56 V at 10 mA/cm2 (without iR correction) was achieved in an asymmetric alkaline electrolytic cell with strained NiFe2O4 nanoparticles, and its robust stability was verified with a voltage retention of approximately 99.4% after 100 h. Furthermore, the current work demonstrates the universality of tuning OER performance with other spinel ferrite systems, including cobalt, manganese, and zinc ferrites.
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