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何傳新/胡琪Angew.:雜原子摻雜導致電化學水氧化機制的轉變

何傳新/胡琪Angew.:雜原子摻雜導致電化學水氧化機制的轉變
雜原子摻雜是提高金屬基電催化劑析氧反應(OER)活性的一種有效方法。普遍認為,摻雜并沒有將OER機制從吸附質演化機制(AEM)轉變為晶格-氧介導機制(LOM),活性的增強歸因于優化的氧中間體結合能。然而,這似乎與摻雜OER電催化劑的過電位(<300 mV)比AEM的極限(>370 mV)。
基于此,深圳大學何傳新教授和胡琪博士等人報道了將磷(P)摻雜的鎳-鐵(Ni-Fe)混合氧化物作為模型電催化劑,觀察到摻雜增強了金屬-氧鍵的共價,從而驅動OER途徑從AEM到LOM的轉變,打破了*OH和*OOH在AEM中的線性吸附關系。所制備的P-摻雜氧化物在10 mA cm?2下,過電位僅為237 mV。
何傳新/胡琪Angew.:雜原子摻雜導致電化學水氧化機制的轉變
通過DFT計算,作者研究了P摻雜引起的OER機制轉變。根據NiOOH和P-NiOOH的態密度(DOS)發現,在P摻雜后,Ni 3d軌道中心能量下降,能值為0.23 eV,而O 2p軌道中心能量略有上升,導致Ni 3d軌道能帶與O 2p軌道重疊。這種重疊可以顯著增強金屬-氧共價,從而觸發LOM途徑。
為進一步闡明摻雜是否可以觸發LOM途徑,作者計算了P-NiOOH和未摻雜P的NiOOH的LOM和AEM途徑的能壘,在LOM的反應過程,其中NiOOH中的晶格氧原子被活化并作為活性位點。
何傳新/胡琪Angew.:雜原子摻雜導致電化學水氧化機制的轉變
此外,NiOOH經AEM的自由能圖顯示出較高的能壘(1.09 eV),遠小于LOM(1.62 eV),表明NiOOH更傾向于AEM途徑。AEM的能壘遠大于P-NiOOH上LOM的能壘,反映出P-NiOOH更傾向于LOM途徑。總之,DFT計算表明P摻雜顯著增強了NiOOH中Ni 3d軌道能帶和O 2p軌道的重疊,從而實現了從AEM到LOM的途徑轉變。
何傳新/胡琪Angew.:雜原子摻雜導致電化學水氧化機制的轉變
Unlocking the Transition of Electrochemical Water Oxidation Mechanism Induced by Heteroatom Doping. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202309732.

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