Surface oxidation/spin state determines oxygen evolution reaction activity of cobalt-based catalysts in acidic environment

析氧 催化作用 化学 离解(化学) 氧化态 电化学 无机化学 氧气 自旋态 光化学 物理化学 电极 有机化学
作者
Jinzhen Huang,Camelia N. Borca,Thomas Huthwelker,Nur Sena Yüzbasi,Dominika Baster,Mario El Kazzi,C. Schneider,Thomas J. Schmidt,Emiliana Fabbri
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:72
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47409-y
摘要

Abstract Co-based catalysts are promising candidates to replace Ir/Ru-based oxides for oxygen evolution reaction (OER) catalysis in an acidic environment. However, both the reaction mechanism and the active species under acidic conditions remain unclear. In this study, by combining surface-sensitive soft X-ray absorption spectroscopy characterization with electrochemical analysis, we discover that the acidic OER activity of Co-based catalysts are determined by their surface oxidation/spin state. Surfaces composed of only high-spin Co II are found to be not active due to their unfavorable water dissociation to form Co III -OH species. By contrast, the presence of low-spin Co III is essential, as it promotes surface reconstruction of Co oxides and, hence, OER catalysis. The correlation between OER activity and Co oxidation/spin state signifies a breakthrough in defining the structure-activity relationship of Co-based catalysts for acidic OER, though, interestingly, such a relationship does not hold in alkaline and neutral environments. These findings not only help to design efficient acidic OER catalysts, but also deepen the understanding of the reaction mechanism.
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