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【DFT+實(shí)驗(yàn)】Nature子刊：NiMoN/NiFe LDH在大電流密度下高效OER

合理設(shè)計(jì)高效的過渡金屬基析氧反應(yīng)（OER）電催化劑是實(shí)現(xiàn)水分解的關(guān)鍵，但工業(yè)堿性水電解需要低過電位的大電流密度，總是受到本征活性的限制。

基于此，大連理工大學(xué)侯軍剛教授和高峻峰教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了層級(jí)雙金屬氮化物/氫氧化物（NiMoN/NiFe LDH）陣列作為模型催化劑，調(diào)節(jié)電子狀態(tài)并跟蹤結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。

活化狀態(tài)下的NiMoN/NiFe LDH在過電位為266 mV時(shí)具有工業(yè)所需的1000 mA cm^-2電流密度，OER穩(wěn)定性為250 h。特

通過DFT計(jì)算，作者研究了電子結(jié)構(gòu)和能壘，以確定反應(yīng)機(jī)理。利用NiFeOOH和Mo摻雜的NiFeOOH作為計(jì)算模型。

首先，使用投影態(tài)密度（PDOS）分析了NiMoN/NiFe LDH和NiFe LDH的金屬d帶和氧p帶的軌道分布。金屬d帶和O 2p帶的重疊明顯表明金屬位點(diǎn)和氧配體的共價(jià)雜交增強(qiáng)。

此外，通過晶體軌道漢密爾頓布居（COHP）評(píng)估了電子構(gòu)型和金屬-氧鍵強(qiáng)度。NiMoN/NiFe-LDH在費(fèi)米能級(jí)附近的Ni 3d帶占據(jù)的反鍵態(tài)越高，表明金屬d帶和O 2p帶之間的雜化越強(qiáng)。

金屬-氧鍵強(qiáng)度通過高達(dá)費(fèi)米能級(jí)的COHP積分來量化，并且NiMoN/NiFe-LDH的Ni-O鍵的ICOHP（-1.14）的較大絕對(duì)值揭示了增強(qiáng)的共價(jià)性。

M-O鍵共價(jià)性的增強(qiáng)促進(jìn)了NiMoN/NiFe-LDH中電子的離域，為OER過程中晶格氧的參與提供了前提。對(duì)于基于LOM途徑的OER過程，催化劑經(jīng)歷去質(zhì)子化以形成暴露的晶格氧。在*OOH去質(zhì)子化后，氧釋放并在表面留下氧空位。

最后，產(chǎn)生的氧空位被OH^–重新填充。實(shí)現(xiàn)了LOM的計(jì)算吉布斯自由能。對(duì)于NiMoN/NiFe-LDH，*OH的去質(zhì)子化是速率決定步驟（RDS）。RDS是從*OH到*O中間體的轉(zhuǎn)化，具有2.29 eV的高能壘。

Regulating electronic states of nitride/hydroxide to accelerate kinetics for oxygen evolution at large current density. Nat. Commun., 2023.

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/03/28/dbda3fd722/

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