Theoretical Investigations into the Hydrogen Evolution Reaction Activity of the FeOOH: Hydrogen Coverage Effect on Catalytic Activity

Abstract

Various transition metal-based catalysts are attracting a lot of attention as materials for strong electrochemical catalysts for hydrogen utilization in the energy application industry. In particular, iron oxyhydroxide (FeOOH) is widely investigated as a candidate for an electrochemical catalyst such as water splitting. Nevertheless, insights into understanding the surface reaction between water and FeOOH, especially, the hydrogen evolution reaction (HER), are still insufficient. Herein, we reveal that the applicability of FeOOH as an HER catalyst can be enhanced by considering hydrogen coverage. Therefore, we systematically investigated the hydrogen generation reaction activity in various structures based on the thermodynamic and electronic geometric perspective. As a result, we show that the β-100 structure has a relative Gibbs free energy -0.14 eV above the coverage 125% and has excellent HER catalyst activity close to the ideal catalyst. Based on these thermodynamic results, we explore the reasons for activity and find that efficient hydrogen bonds result from metallic properties and formation energy. We, therefore, believe that this work will play an important role in revealing and expanding the use of transition metal based FeOOH as a catalyst. |에너지 응용 산업에서 수소 활용을 위한 강력한 전기화학 촉매의 재료로 다양한 전이금속 기반 촉매가 많은 관심을 받고 있다. 특히 물의 분열과 같은 전기화학적 촉매의 후보로 옥시수산화철(FeOOH)이 널리 연구되고 있다. 그럼에도 불구하고 물과 FeOOH 사이의 표면 반응, 특히 수소 진화 반응(HER)을 이해하는 통찰력은 여전히 부족하다. 여기서, 우리는 수소 커버리지를 고려함으로써 HER 촉매로서의 FeOOH의 적용 가능성이 향상될 수 있음을 밝힌다. 따라서 열역학적, 전자기하학적 관점을 바탕으로 다양한 구조에서 수소 발생 반응 활성을 체계적으로 조사하였다. 그 결과, 우리는 베타-100 구조가 커버리지 125% 이상의 상대 깁스 자유 에너지 -0.14 eV를 가지며 이상적인 촉매에 가까운 우수한 HER 촉매 활성을 가지고 있음을 보여준다. 이러한 열역학적 결과를 바탕으로 활동의 이유를 탐구하고 효율적인 수소 결합이 금속 특성과 형성 에너지에서 비롯된다는 것을 발견한다. 따라서 우리는 이 작업이 전이 금속 기반 FeOOH를 촉매로 사용하는 것을 밝히고 확장하는 데 중요한 역할을 할 것으로 믿는다.