Recognition of Surface Oxygen Intermediates on NiFe Oxyhydroxide Oxygen-evolving Catalysts by Homogeneous Oxidation Reactivity

析氧 化学 催化作用 电催化剂 反应性(心理学) 塔菲尔方程 无机化学 光化学 氧气 电化学 物理化学 有机化学 电极 医学 病理 替代医学
作者
Yaming Hao,Yefei Li,Jianxiang Wu,Jinling Wang,Chenglin Jia,Tao Liu,Xuejing Yang,Zhi‐Pan Liu,Ming Gong
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2009.14503
摘要

NiFe oxyhydroxide is one of the most promising oxygen evolution reaction (OER) catalysts for renewable hydrogen production, and deciphering the identity and reactivity of the oxygen intermediates on its surface is a key challenge but is critical to understanding the OER mechanism as well as designing water-splitting catalysts with higher efficiencies. Here, we screened and utilized in situ reactive probes that can selectively target specific oxygen intermediates with high rates to investigate the OER intermediates and pathway on NiFe oxyhydroxide. Most importantly, the oxygen atom transfer (OAT) probes (e.g. 4-(Diphenylphosphino) benzoic acid) could efficiently inhibit the OER kinetics by scavenging the OER intermediates, exhibiting lower OER currents, larger Tafel slopes and larger kinetic isotope effect values, while probes with other reactivities demonstrated much smaller effects. Combining the OAT reactivity with electrochemical kinetic and operando Raman spectroscopic techniques, we identified a resting Fe=O intermediate in the Ni-O scaffold and a rate-limiting O-O chemical coupling step between a Fe=O moiety and a vicinal bridging O. DFT calculation further revealed a longer Fe=O bond formed on the surface and a large kinetic energy barrier of the O-O chemical step, corroborating the experimental results. These results point to a new direction of liberating lattice O and expediting O-O coupling for optimizing NiFe-based OER electrocatalyst.
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