Low‐Spin Fe3+ Evoked by Multiple Defects with Optimal Intermediate Adsorption Attaining Unparalleled Performance in Water Oxidation

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作者
Yihao Wang,Shanqing Li,Xu Hou,Tingting Cui,Zechao Zhuang,Yunhe Zhao,Haozhi Wang,Wei Wei,Ming Xu,Qiang Fu,Chunxia Chen,Dingsheng Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (52): e2412598-e2412598 被引量:105
标识
DOI:10.1002/adma.202412598
摘要

Electrocatalytic water splitting is long constrained by the sluggish kinetics of anodic oxygen evolution reaction (OER), and rational spin-state manipulation holds great promise to break through this bottleneck. Low-spin Fe3+ (LS, t2g 5eg 0) species are identified as highly active sites for OER in theory, whereas it is still a formidable challenge to construct experimentally. Herein, a new strategy is demonstrated for the effective construction of LS Fe3+ in NiFe-layered double hydroxide (NiFe-LDH) by introducing multiple defects, which induce coordination unsaturation over Fe sites and thus enlarge their d orbital splitting energy. The as-obtained catalyst exhibits extraordinary OER performance with an ultra-low overpotential of 244 mV at the industrially required current density of 500 mA cm-2, which is 110 mV lower than that of the conventional NiFe-LDH with high-spin Fe3+ (HS, t2g 3eg 2) and superior to most previously reported NiFe-based catalysts. Comprehensive experimental and theoretical studies reveal that LS Fe3+ configuration effectively reduces the adsorption strength of the O* intermediate compared with that of the HS case, thereby altering the rate-determining step from (O* → OOH*) to (OH* → O*) of OER and lowering its reaction energy barrier. This work paves a new avenue for developing efficient spin-dependent electrocatalysts for OER and beyond.
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