Enhancing Methanol Oxidation Reaction by NiO Featuring High Concentration of Oxygen Vacancy and Ni3+/Ni2+ Ratio

doi:10.7503/cjcu20250073

Abstract

Abstract:

To address the critical challenges of insufficient active sites， poor conductivity， and sluggish reaction kinetics in nickel-based electrocatalysts for methanol oxidation reaction（MOR）， this study proposes a lattice doping engineering strategy. By employing a low-cost ammonium molybdate precursor coupled with a calcination process， we successfully constructed Mo-doped NiO catalysts synergistically enhanced by oxygen vacancies and Ni³⁺ active sites. Experimental results demonstrate that as the Mo doping level increases from 0 to 28%（atomic fraction）， the oxygen vacancy concentration on the catalyst surface escalates progressively from 30.18% to 56.59%， while the proportion of Ni³⁺ species rises from 65.55% to 85.91%. At an optimal Mo doping content of 28%， the catalyst achieves a current density of 280.8 mA/cm² at 1.7 V（vs. RHE） in 1.0 mol/L KOH/1.0 mol/L CH₃OH electrolyte， representing a 12.9-fold enhancement compared to undoped NiO（21.7 mA/cm²）. Furthermore， the Tafel slope decreases signifi-cantly from 63 mV/dec to 25 mV/dec. Systematic characterizations via XRD， SEM， TEM and XPS elucidate the formation mechanism of Mo-doped NiO catalysts with tunable oxygen vacancy concentrations and Ni³⁺/Ni²⁺ ratios， as well as their MOR electrocatalytic performance. A preliminary structure-activity relationship is established， revealing the underlying principles of enhanced activity. This work provides a novel approach for designing efficient anode catalysts for direct methanol fuel cells（DMFCs） with high active site density.

Key words: Oxygen vacancy, Methanol oxidation reaction, Mo-doping

CLC Number:

O643.3

TrendMD:

LU Jiantian, ZHAO Manzhen, ZHANG Baohua, SONG Shuang, ZHANG Yuwei. Enhancing Methanol Oxidation Reaction by NiO Featuring High Concentration of Oxygen Vacancy and Ni³⁺/Ni²⁺ Ratio[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(7): 20250073.

Figures/Tables 6

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