Analysis of the limitations in the oxygen reduction activity of transition metal oxide surfaces

过渡金属 催化作用 氧化物 氧气 金属 还原(数学) 无机化学 化学 氧还原 材料科学 环境化学 冶金 物理化学 数学 有机化学 电化学 电极 几何学
作者
Hao Li,Sara R. Kelly,Dan Guevarra,Zhenbin Wang,Yu Wang,Joel A. Haber,Megha Anand,G. T. Kasun Kalhara Gunasooriya,Christina Susan Abraham,Sudarshan Vijay,John M. Gregoire,Jens K. Nørskov
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:4 (6): 463-468 被引量:277
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00618-w
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) is the key bottleneck in the performance of fuel cells. So far, the most active and stable electrocatalysts for the reaction are based on Pt group metals. Transition metal oxides (TMOs) constitute an alternative class of materials for achieving operational stability under oxidizing conditions. Unfortunately, TMOs are generally found to be less active than Pt. Here, we identify two reasons why it is difficult to find TMOs with a high ORR activity. The first is that TMO surfaces consistently bind oxygen atoms more weakly than transition metals do. This makes the breaking of the O–O bond rate-determining for the broad range of TMO surfaces investigated here. The second is that electric field effects are stronger at TMO surfaces, which further makes O–O bond breaking difficult. To validate the predictions and ascertain their generalizability for TMOs, we report experimental ORR catalyst screening for 7,798 unique TMO compositions that generally exhibit activity well below that of Pt. Transition metal oxides constitute a promising class of catalysts for the oxygen reduction reaction, but they are found generally to be less active than Pt. Now, computational analyses and high-throughput experiments are used to understand the reasons behind the lower activity, and strategies to improve them are proposed.
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