High-valence Ni and Fe sites on sulfated NiFe-LDH nanosheets to enhance O-O coupling for water oxidation

过电位 催化作用 价(化学) X射线光电子能谱 析氧 材料科学 金属 无机化学 化学 分解水 化学工程 电极 物理化学 电化学 冶金 光催化 工程类 生物化学 有机化学
作者
Qiao Chen,Zahid Usman,Tai Cao,Souleymen Rafai,Zhi‐Tao Wang,Youqi Zhu,Chuanbao Cao,Jiatao Zhang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:426: 130873-130873 被引量:109
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.130873
摘要

High-valence Ni and Fe metal sites have demonstrated a crucial role in enhancing the catalytic performances of NiFe-LDH electrocatalysts in oxygen evolution reaction (OER). Although considerable OER catalytic performances achieved under high overpotential, the catalytic talent of NiFe-LDH electrocatalysts at low overpotential is rarely realized due to the absence of high-valence Ni and Fe sites. We herein report a surface engineering route to fabricate sulfated NiFe-LDH nanosheets via ion exchange strategy in sulfate-rich media. XPS results reveal a modified surface electronic structure with high-valence Ni and Fe after ion exchange reaction. Computational PDOS results suggest that computed d-band centers (εd) of Fe and Ni for sulfated NiFe-LDH show a significant downward shift resulting an increased valence of metal cation with orbital volume shrinkage. The high-valence Fe can facilitate a optimized multi-electron process of Ni center from [NiII-OH]−/[NiIII-OH]− to NiIV-OOH rather than NiII/NiIII to NiIV at low overpotential. The high-valence Ni can serve as the highly active center for O-O coupling during OER process. Combined with the synergetic action of high-valence Fe and Ni, the sulfated NiFe-LDH nanosheets exhibit much larger reaction kinetics and outstanding electrocatalytic activity on glassy carbon electrode (η10 = 219 mV, η50 = 288 mV) with a remarkable long-term stability.
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