ACS Catal：计算模拟Fe掺杂/NiO体系中OER活性提升作用

纳米

2020-05-06

Ni电极的布拜图(Pourbaix diagram，电位-pH图，是以pH为横坐标的电化学平衡图，其给出了反应的平衡电极电位与pH关系，根据布拜图可以直接判断在给定条件下（给定电位和pH）反应进行的可能性)。中山大学Yecheng Zhou、加泰罗尼亚化学研究所Nuria Lopez报道了在电极反应过程中具有多种亚稳NiO_xH_y相，同时Fe的掺杂作用会显著提高其稳定性。Ni对水的吸附作用有帮助，甚至能够引发“负表面吸附能”。计算化学结果显示Fe离子对吸附在层中间的空间，计算模拟结果显示单原子位点通过Fe-H₂O和晶格氧之间的质子耦合电子传递过程，该过程中通过Fe和H₂O的作用实现，同时对比结果显示当没有H₂O的时候无法进行氢耦合电子转移过程。此外，机理研究结果显示有12种产氧反应机理，其中的作用方式为在Fe²⁺附近发生H转移还原Ni³⁺，并实现了将过电势降低为0.23 V。

本文要点：

（1）通过第一性原理对Ni-H₂O的Pourbaix diagram进行计算，结果显示NiO，Ni(OH)₂，Ni₃O₄，NiOOH的存在，Fe的掺杂有效的稳定晶相结构，NiOOH (001)的界面上在H₂O吸附作用中，表面能转变为负值。此外，作者发现Fe离子的吸附过程在热力学上的稳定性，并且在AIMD动力学测试过程中稳定时间达到25 ps。在测试过程中，作者发现氢耦合电子转移过程、Fe吸附过程调节位点的氧化态，并能够降低OER过程中的过电势，有效促进了OER过程。

参考文献

Yecheng Zhou*, Nuria Lopez*

The role of Fe species on NiOOH in oxygen evolution reactions，ACS Catal. 2020,

DOI：10.1021/acscatal.0c00304

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00304