Sulfate-Decorated Amorphous-Crystalline Cobalt-Iron Oxide Nanosheets to Enhance O-O Coupling in the Oxygen Evolution Reaction
Wang, Xiang (Institut de Recerca en Energia de Catalunya)
Li, Junshan (Chengdu University. Institute of Advanced Study)
Xue, Qian (Chongqing University of Technology)
Han, Xu (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia)
Xing, Congcong (Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Química)
Liang, Zhifu (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia)
Guardia, Pablo (Institut de Ciència de Materials de Barcelona)
Zuo, Yong (Istituto Italiano di Tecnologia)
Du, Ruifeng (Institut de Recerca en Energia de Catalunya)
Balcells Argemí, Lluís (Institut de Ciència de Materials de Barcelona)
Arbiol i Cobos, Jordi (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia)
Llorca, Jordi (Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Química)
Qi, Xueqiang (Chongqing University of Technology)
Cabot i Codina, Andreu (Institut de Recerca en Energia de Catalunya)

Data:	2023
Resum:	The electrochemical oxygen evolution reaction (OER) plays a fundamental role in several energy technologies, which performance and cost-effectiveness are in large part related to the used OER electrocatalyst. Herein, we detail the synthesis of cobalt-iron oxide nanosheets containing controlled amounts of well-anchored SO42- anionic groups (CoFexOy-SO4). We use a cobalt-based zeolitic imidazolate framework (ZIF-67) as the structural template and a cobalt source and Mohr's salt ((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O) as the source of iron and sulfate. When combining the ZIF-67 with ammonium iron sulfate, the protons produced by the ammonium ion hydrolysis (NH4+ + H2O = NH3·H2O + H+) etch the ZIF-67, dissociating its polyhedron structure, and form porous assemblies of two-dimensional nanostructures through a diffusion-controlled process. At the same time, iron ions partially replace cobalt within the structure, and SO42- ions are anchored on the material surface by exchange with organic ligands. As a result, ultrathin CoFexOy-SO4 nanosheets are obtained. The proposed synthetic procedure enables controlling the amount of Fe and SO4 ions and analyzing the effect of each element on the electrocatalytic activity. The optimized CoFexOy-SO4 material displays outstanding OER activity with a 10 mA cm-2 overpotential of 268 mV, a Tafel slope of 46. 5 mV dec-1, and excellent stability during 62 h. This excellent performance is correlated to the material's structural and chemical parameters. The assembled nanosheet structure is characterized by a large electrochemically active surface area, a high density of reaction sites, and fast electron transportation. Meanwhile, the introduction of iron increases the electrical conductivity of the catalysts and provides fast reaction sites with optimum bond energy and spin state for the adsorption of OER intermediates. The presence of sulfate ions at the catalyst surface modifies the electronic energy level of active sites, regulates the adsorption of intermediates to reduce the OER overpotential, and promotes the surface charge transfer, which accelerates the formation of oxygenated intermediates. Overall, the present work details the synthesis of a high-efficiency OER electrocatalyst and demonstrates the introduction of nonmetallic anionic groups as an excellent strategy to promote electrocatalytic activity in energy conversion technologies.
Ajuts:	Agencia Estatal de Investigación PID2019-105490RB-C32 Agencia Estatal de Investigación ENE2016-77798-C4-3-R Agencia Estatal de Investigación PID2020-116093RB-C43 Ministerio de Ciencia e Innovación CEX2019-000917-S Agencia Estatal de Investigación PID2021-128410OB-I00 Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca 2017/SGR-327 Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca 2017/SGR-1246 Ministerio de Ciencia e Innovación CEX2021-001214-S Ministerio de Economía y Competitividad SEV-2017-0706 Ministerio de Economía y Competitividad SEV-2013-0295-17-1 Agencia Estatal de Investigación RTI2018-093996-B-C31 Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca 2017/SGR-128
Drets:	Aquest material està protegit per drets d'autor i/o drets afins. Podeu utilitzar aquest material en funció del que permet la legislació de drets d'autor i drets afins d'aplicació al vostre cas. Per a d'altres usos heu d'obtenir permís del(s) titular(s) de drets.
Llengua:	Anglès
Document:	Article ; recerca ; Versió sotmesa a revisió
Matèria:	Sulfate ; Amorphous catalyst ; Cobalt-iron oxide ; Nanosheet ; Lattice oxygen oxidation ; Oxygen evolution reaction
Publicat a:	ACS nano, Vol. 17, Issue 1 (January 2023) , p. 825-836, ISSN 1936-086X

DOI: 10.1021/acsnano.2c12029

Preprint 30 p, 2.5 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Documents dels grups de recerca de la UAB > Centres i grups de recerca (producció científica) > Ciències > Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2)
Articles > Articles de recerca
Articles > Articles publicats