Dynamic Redox Induced Localized Charge Accumulation Accelerating Proton Exchange Membrane Electrolysis

过电位 析氧 电催化剂 材料科学 氧化还原 电容感应 电解 质子 阳极 电子转移 化学物理 光化学 电解质 电极 化学 电化学 物理化学 量子力学 操作系统 物理 冶金 计算机科学
作者
Bin Chang,Yuanfu Ren,Nan Mu,Shouwei Zuo,Chen Zou,Wei Zhou,Linrui Wen,Hua Bing Tao,Weijia Zhou,Zhiping Lai,Yoji Kobayashi,Huabin Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (7): e2405447-e2405447 被引量:23
标识
DOI:10.1002/adma.202405447
摘要

The sluggish anodic oxygen evolution reaction (OER) in proton exchange membrane (PEM) electrolysis necessitates applied bias to facilitate electron transfer as well as bond cleavage and formation. Traditional electrocatalysis focuses on analyzing the effects of electron transfer, while the role of charge accumulation induced by the applied overpotential has not been thoroughly investigated. To explore the influence mechanism of bias-driven charge accumulation, capacitive Mn is incorporated into IrO2 to regulate the local electronic structure and the adsorption behavior. The applied bias triggers dynamic redox reactions at the active sites, which introduce local charge accumulation on the surface of electrocatalyst. Under bias, Mn oxidation induced a noticeable pseudocapacitance in the pre-OER region, promoting the OER kinetics of iridium sites. Meanwhile, the increased oxygen vacancy formation energy further prevents the lattice oxygen activation. The PEM electrolyzer, equipped with optimal materials as an anode, operates at a low driving voltage of 1.637 V under 2.0 A cm-2, maintaining stable performance for over 800 h with a low degradation rate (19.4 µV h-1). This work provides insights into the performance of metal oxide catalysts in acidic environments and offers forward-looking strategies for enhancing the catalytic performance through dynamic redox induced capacitive behavior.
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