Gold-supported cerium-doped NiOx catalysts for water oxidation · 2016-05-06 · Gold‐Supported...

17
SUPPLEMENTARY INFORMATION ARTICLE NUMBER: 16053 | DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 1 Jia Wei Desmond Ng 1 , Max García‐Melchor 2 , Michal Bajdich 2 , Pongkarn Chakthranont 1 , Charlotte Kirk 1 Aleksandra Vojvodic 2 *, Thomas F. Jaramillo 1,2  1  Department of Chemical Engineering, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA 2  SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA 94025, USA. * Authors to whom correspondence should be addressed: [email protected][email protected]   Gold-supported cerium-doped NiO x catalysts for water oxidation

Transcript of Gold-supported cerium-doped NiOx catalysts for water oxidation · 2016-05-06 · Gold‐Supported...

SUPPLEMENTARY INFORMATIONARTICLE NUMBER: 16053 | DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 1

  

Supplementary Information 

 

Gold‐Supported Cerium‐Doped NiOx Catalysts for Water Oxidation 

 

Jia Wei Desmond Ng1, Max García‐Melchor2, Michal Bajdich2, Pongkarn Chakthranont1, Charlotte Kirk1, Aleksandra Vojvodic2*, Thomas F. Jaramillo1,2* 

 1 Department of Chemical Engineering, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA 

2 SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA 94025, USA. 

* Authors to whom correspondence should be addressed: [email protected][email protected] 

   

Gold-supported cerium-doped NiOx catalysts for water oxidation

2 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

Supplementary Figures 

(a)  

     

Supplementary Figure 1. Physical and chemical characterization of NiCeOx−Au. (a) Ni and Ce elemental mappings and the corresponding SEM image of NiCeOx−Au taken using Auger electron spectroscopy. (b) High resolution XPS spectra of the O 1s region of NiCeOx−Au. The dotted vertical lines indicate the region where O  is  expected  to  exist  as  hydroxide.  (c)  XRD  diffractograms  of NiCeOx−Au  and  bare  Au‐coated glassy carbon substrate. The "•" symbol indicates a peak arising from the glassy carbon substrate.  

   

533 532 531 530 529

NiCeOx-Au(b)

Inte

nsity

(a.u

.)

hydroxide

Binding Energy (eV)10 20 30 40 50 60 70 80 90

(c)

Au

(222

)

Inte

nsity

(a.u

.)

Au

(111

)2 (degrees)

Bare Au-GC substrate NiCeOx-Au

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 3

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

 

Supplementary Figure 2. Optimization of the Ni to Ce ratio of Ni1‐xCexOy−Au. (a) Cyclic voltammograms displaying the OER performance of the Ni1‐xCexOy−Au catalysts. The sweeps are color‐coded according to the rainbow spectrum in order of increasing amounts of Ce. (b) Activity of Ni1‐xCexOy−Au as a function of the percentage of Ni in the deposition solution. The left y‐axis represents the current density at 350 mV overpotential, while the right y‐axis represents the overpotential required to reach 10 mA/cm2. 

   

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70(a) NiOx-Au Ni99Ce1Ox-Au Ni97Ce3Ox-Au Ni95Ce5Ox-Au Ni90Ce10Ox-Au Ni80Ce20Ox-Au Ni75Ce25Ox-Au Ni50Ce50Ox-Au CeOx-Au

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

0 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

Ove

rpot

entia

l to

Rea

ch 1

0 m

A/c

m2 ge

o (V)

Mol % Ni in Ni1-xCexOy-Au

Cur

rent

Den

sity

at 3

50 m

VO

verp

oten

tial (

mA

/cm

2 geo)

1M NaOH, 10 mV/s

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60(b)

4 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

Supplementary  Figure  3.  Electrochemical  profile  of  NiCeOx−Au  in  two  distinct  systems.  Cyclic voltammograms displaying the electrochemical profile of NiCeOx‐Au  in an unpurified system and a Fe‐free system. 

   

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70 Unpurified system Fe-free system

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 5

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

 

Supplementary Figure 4. Electrochemical profile of NiCeOx−Au, NiCeOx−GC, NiOx−Au and NiOx−GC. (a) Cyclic voltammograms displaying the electrochemical profile of the four catalysts for the first sweep. (b) Cyclic voltammograms of NiCeOx−Au and NiCeOx−GC for both the first and the second sweep. 

   

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-10

0

10

20

30

40(a) NiCeOx-Au NiCeOx-GC NiOx-Au NiOx-GC

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-10

0

10

20

30

40(b) NiCeOx-Au, 1st cycle NiCeOx-Au, 2nd cycle NiCeOx-GC, 1st cycle NiCeOx-GC, 2nd cycle

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

6 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

 

Supplementary Figure 5. Optimization of the Ni to Fe ratio of Ni1‐xFexOy. (a) Activity of Ni1‐xFexOy−GC as a  function  of  the  percentage  of  Ni  in  the  deposition  solution.  The  left  y‐axis  represents  the  current density at 350 mV overpotential, while the right y‐axis represents the overpotential required to reach 10 mA/cm2.  (b)  Cyclic  voltammograms  displaying  the  electrochemical  profile  of  Ni97Fe3Ox−Au  and Ni97Fe3Ox−GC. 

   

0 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

Ove

rpot

entia

l to

Rea

ch 1

0 m

A/c

m2 ge

o (V)

Mol % Ni in Ni1-xFexOy-GC

Cur

rent

Den

sity

at 3

50 m

VO

verp

oten

tial (

mA

/cm

2 geo)

1M NaOH, 10 mV/s

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60(a)

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-10

0

10

20

30

40

50(b) Ni97Fe3Ox-Au Ni97Fe3Ox-GC

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 7

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

(a)    (b)   

(c)    (d)   

Supplementary  Figure  6.  Images  of  the  electrodes  used  for  water  electrolysis.  SEM  images  of  (a) NiCeOx  on  Au‐coated  Ni  foam,  (b)  NiMo  on  Ni  foam,  and  (c)  bare  Ni  foam  for  comparison.  (d) Photograph of the three electrodes. 

   

8 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

Supplementary  Figure  7.  Evaluation  of  the  performance  of  the  NiCeOx−Au‐  and  NiMo‐coated electrodes versus a bare Ni foam substrate. Chronopotentiometric runs of the individual electrodes at 50 mA in a three‐electrode electrochemical cell setup. The electrolyte was 6 M KOH, while the counter and reference electrodes were a carbon rod and Ag/AgCl respectively. 

 

   

0 1 2 3 4 5-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.53-Electrode Testing

NiCeOx on Au-coated Ni foam NiMo on Ni foam bare Ni foam

Time (minutes)

Pote

ntia

l (V

vers

us R

HE)

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 9

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

Supplementary Figure 8. Photograph of electrolyser  setup.  The NiCeOx on Au‐coated Ni  foam anode and the NiMo on Ni foam cathode was held in separate halves of an H‐cell in a 6 M KOH electrolyte and separated by an anion‐exchange membrane.  

   

10 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

Supplementary  Figure  9.  Geometric  structure  and  magnetic  moments  for  modelled  NiCex–Au catalysts. Top view of the most energetically favourable relaxed atomic structure of the finite undoped and Ce‐doped NiOx thin films supported on Au(111) during the different OER reaction steps given by Eqs. (1)‐(4) in the main text. The colour code is as follows: Au (gold), Ni (green), Ce (grey), O (red), H (white). 

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 11

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

Supplementary  Figure  10.  DFT‐calculated  Pourbaix  diagram.  Pourbaix  diagram  calculated  using  the (1x4) finite NiOx−Au thin film shown in Supplementary Fig. 13. The nomenclature (H−X, O−X and OH−X) refers to the number of H atoms on the basal plane, and the number of O and OH groups on the edge sites of the finite NiOx−Au film. 

   

12 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

  

  

Supplementary  Figure  11.  Optimization  of  the  Au  substrate  thickness  and  catalyst  loading  of NiCeOx−Au.  (a) Cyclic voltammograms displaying the OER performance of NiCeOx−Au  loaded on glassy carbon disks with different Au thicknesses. (b) Cyclic voltammograms displaying the OER performance of NiCeOx−Au with different electrodeposition times. 

   

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-10

0

10

20

30

40

50NiCeOx-Au

(a)

100 nm Au 20 nm Au 1 nm Au

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-10

0

10

20

30

40

50NiCeOx-Au

(b)

1 sec 3 sec 10 sec 30 sec 60 sec

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 13

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

   

 

Supplementary  Figure  12. Stability  of NiCeOx−Au.  (a)  Variation  in  the  potential  required  to  reach  10 mA/cm2 over a period of 2 hours to demonstrate the stability of NiCeOx−Au under OER testing. (b) Cyclic voltammograms displaying the OER activities of NiCeOx−Au before and after the stability test. 

   

0 20 40 60 80 100 1201.40

1.45

1.50

1.55

1.60

1.65

NiCeOx-AuChronopotentiometry at 10 mA/cm2 in 1M NaOH

(a)

Time (minutes)

Pote

ntia

l vs.

RH

E (V

)

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-10

0

10

20

30

40

50(b) NiCeOx-Au, before NiCeOx-Au, after

Potential (V versus RHE)

Cur

rent

Den

sity

(mA

/cm

2 geo)

1 M NaOH, 10 mV/s

14 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

 

 

 

 

 

 

 

 

Supplementary Figure 13. Optimized structure of a (1x4) finite NiOx−Au thin film. Atomistic side‐view of the finite NiOx−Au (1x4) thin film structure used to calculate the resting state of the catalyst surface under relevant OER conditions, i.e. pink region in the Pourbaix diagram in Supplementary Figure 10. The colour code is as follows: Au (gold), Ni (green), O (red). 

   

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 15

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

Supplementary Tables 

Supplementary Table 1. Corrections to the Gibbs free energies (in eV’s) for the adsorbates in the gas phase and on the surface. Zero point energies (ZPE), vibrational enthalpies and entropy contributions to the Gibbs free energies calculated for the adsorbates in the gas phase and on the surface at T = 300 K and P = 1 atm. In the case of H2O, we use P = 0.035 bars, as it is the pressure at which vapour water is in equilibrium with liquid water at T = 300 K.  

  ZPE  Hvib  TS  ZPE + Hvib – TS 

H2O  0.560  0.103  0.675  ‐0.012 

H2  0.268  0.091  0.408  ‐0.049 

O*  0.061  0.033  0.051  0.043 

HO*  0.360  0.049  0.081  0.328 

HOO*  0.468  0.068  0.116  0.420 

 

   

16 NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy

SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

Supplementary Discussion 

Optimization of the thickness of the gold support and the catalyst loading 

A study varying  the  thickness of  the gold  film on  the GC substrate  from 1  to 100 nm was conducted. Electrochemical  testing  revealed  that  increasing  the  amount  of  gold  from  1  to  20  nm  results  in  a significant improvement in activity possibly due to the increased number of metal oxide‐gold interfacial sites;  however,  an  additional  80  nm  of  gold  only  leads  to  a  slightly  further  boost  in  the OER  activity which suggests that only a limited amount of additional gold came into contact with the catalyst  layer (Supplementary Fig. 11a).  

The amount of catalyst deposited on 100 nm of gold was also varied by modifying the deposition times from 1 to 60 seconds, which  translates to 8 to 480 nm of catalyst assuming a  linear relation between deposition time and catalyst thickness. We found that the 10‐second deposition sample (80 nm catalyst thickness) delivers the best performance (Supplementary Fig. 11b). This suggests that shorter deposition times result in less active sites to turnover the water molecules to oxygen, while longer deposition times lead to films that are structurally unstable or too thick to benefit from the influence of gold1. 

 

Stability of NiCeOx−Au under OER testing 

The  stability  of  NiCeOx−Au  was  examined  using  the  benchmarking  protocol,  which  consists  in  a chronopotentiometry run with the catalyst held at 10 mA/cm2 for 2 hours in 1 M NaOH (Supplementary Fig.  12a)2.  The  observed  slow  and  steady  increase  in  potential  might  be  attributed  to  a  number  of reasons: blocking of active sites by the O2 bubbles formed during the reaction, morphological changes of the catalyst  leading  to  reduced access  to active sites, and/or  loss of catalytic material possibly due  to dissolution  or  collateral  loss  of  catalyst,  which might  also  be  induced  by  the  O2  bubbles  leaving  the electrode surface.  

The  removal  of O2  bubbles  on  the  catalyst  surface  after  the  chronopotentiometry  run,  followed by  a typical  cyclic  voltammetry  scan,  revealed  that  the  catalyst  requires  only  an  additional  39  mV overpotential to reach 10 mA/cm2 (Supplementary Fig. 12b), thus demonstrating the excellent stability of NiCeOx−Au.  

   

NATURE ENERGY | www.nature.com/natureenergy 17

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NENERGY.2016.53

Supplementary References 

1  Yeo,  B.  S.  &  Bell,  A.  T.  In  situ  Raman  study  of  nickel  oxide  and  gold‐supported  nickel  oxide  catalysts  for  the electrochemical evolution of oxygen. J. Phys. Chem. C 116, 8394‐8400 (2012). 

2  McCrory, C. C.  L.  et al. Benchmarking hydrogen evolving  reaction and oxygen evolving  reaction electrocatalysts  for solar water splitting devices. J. Am. Chem. Soc. 137, 4347‐4357 (2015).