Einfluss bimetallischer Synergien auf die Mo-Dotierung von NiFeOOH

Die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) ist ein wichtiger, aber anspruchsvoller Prozess bei der Wasserspaltung, da sie einen Vier-Elektronen-Transfer erfordert, der oft unter einer langsamen Reaktionskinetik leidet. Edelmetallbasierte Oxide wie RuO2 und IrO2 waren die bevorzugten Katalysatoren für diesen Prozess, aber ihre Seltenheit und ihr hoher Preis haben die Suche nach alternativen Katalysatoren aus Nichtedelmetallen motiviert.

NiFe(oxy)hydroxid (NiFeOOH) hat sich aufgrund seiner hohen Aktivität, niedrigen Kosten und verbesserten Stabilität als vielversprechender Kandidat erwiesen. Die Optimierung seiner Leistungsfähigkeit, um industriellen Standards gerecht zu werden, bleibt jedoch eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung.

Unter der Leitung von Xiangjiu Guan hat ein Team der Xi’an Jiaotong University hochvalentes Molybdän (Mo) in NiFeOOH eingeführt, um dessen elektronische Struktur zu verändern und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Das Papier ist veröffentlicht im Journal Grenzen der Energie.

Dieser innovative Ansatz zielte darauf ab, das für die OER erforderliche Überpotential zu reduzieren und die Stabilität des Katalysators unter Betriebsbedingungen zu verbessern. Die Forscher nutzten sowohl empirische Experimente als auch theoretische Simulationen, um die Wechselwirkungen zwischen Mo, Ni und Fe im dotierten Katalysator zu verstehen.

Der Mo-dotierte NiFeOOH-Katalysator wies ein deutlich reduziertes Überspannungspotential von 205 mV bei 10 mA/cm² und eine Tafel-Steigung von 31,7 mV/dec auf, was auf eine überlegene katalytische Aktivität hindeutet. Darüber hinaus blieb der Betrieb bis zu 170 Stunden stabil, was seine beeindruckende Haltbarkeit unter Beweis stellt.

Die Studie ergab, dass Mo-Dotierung die Valenzzustände von Ni und Fe erhöht, was zu einer Verschiebung des d-Bandzentrums der bimetallischen aktiven Stellen führt, was für die Umwandlung in die aktive γ-NiFeOOH-Phase entscheidend ist. Theoretische Untersuchungen mithilfe von Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT) untermauerten diese Erkenntnisse weiter und verdeutlichten die effektivsten OER-Pfade und die Rolle von Mo bei der Steigerung der katalytischen Aktivität.

Diese Forschung bietet eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung leistungsstarker, nicht edler Metallelektrokatalysatoren für die OER. Die Kombination aus niedrigem Überspannungspotential, schneller Reaktionskinetik und Langzeitstabilität des Mo-dotierten NiFeOOH-Katalysators macht ihn zu einem starken Kandidaten für kommerzielle Anwendungen in der Wasserelektrolyse und anderen erneuerbaren Energietechnologien.

Die Erkenntnisse tragen außerdem zum grundlegenden Verständnis bimetallischer Synergien im Katalysatordesign bei und bilden die Basis für zukünftige Innovationen auf dem Gebiet der Elektrokatalyse.