石大Nature子刊:三聚酸修饰的亚尺寸镍铁-层状双氢氧化物纳米片催化剂增强水氧化

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层状双氢氧化物是电催化析氧反应(OER)的理想材料,但对比稀有金属,它们的催化动力学和长期稳定性有待进一步提高。基于此,中国石油大学(华东)鲁效庆教授、刘思远副教授和王兆杰副教授等人报道了一种静态和动态相容性锚定策略,并利用三聚酸修饰的亚尺寸镍铁-层状双氢氧化物(NiFe-LDH)纳米片催化剂(SU-NiFe-LDH(TA))。



SU-NiFe-LDH(TA)催化剂在大电流(1500 mA cm−2)下表现出更高的电催化性能和稳定性,持续时间为1300 h,优于目前报道的催化剂。在工业条件下(60 °C、6 M KOH),当电流密度大于1000 mA cm−2时,该杂化催化剂在800 h以上表现出较高的稳定性。
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通过DFT计算,作者研究了配体对金属活性位点的稳定/活化机理。通过态密度(DOS)和电荷分析,作者研究了三羧酸对SU-NiFe-LDH(TA)中金属中心的锚定作用,标记为SU-NiFe-LDH(TA)/Fea、SU-NiFe-LDH(TA)/Nia、SU-NiFe-LDH(TA)/Oa和SU-NiFe-LDH(TA)/Ob
SU-NiFe-LDH(TA)/Fea的3d轨道重叠较多,与SU-NiFe-LDH(TA)/Oa的2p轨道相互作用较强,有利于配体与SU-NiFe-LDH(TA)的金属中心结合。SU-NiFe-LDH(TA)中配体与镍铁氢氧化物之间的强电子相互作用稳定了金属形态,提高了SU-NiFe-LDH(TA)电极在OER过程中的稳定性。
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NiFe-LDH中Nib和Feb位点上OER的速率决定步骤(RDS)分别是*O和*OOH的形成,U=0 V时自由能变化最大,分别为2.67和2.12 eV。在SU-NiFe-LDH(TA)/Nib中引入配体后,RDS是OH-去质子生成*O。SU-NiFe-LDH(TA)/Nib和SU-NiFe-LDH(TA)/Feb在U=0 V时*OOH转化为O2的反应能分别为0.178和0.003 eV,远低于NiFe-LDH/Nib和NiFe-LDH/Feb。结果表明,SU-NiFe-LDH(TA)的不配位羧酸降低了OER过程中发生的去质子化步骤的能量。
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Bioinspired trimesic acid anchored electrocatalysts with unique static and dynamic compatibility for enhanced water oxidation. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-42292-5.






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