Probing the Evolution of Active Sites in MoO2 for Hydrogen Generation in Acidic Medium

过电位 塔菲尔方程 活动站点 催化作用 电催化剂 化学 无机化学 电化学 吉布斯自由能 吸附 物理化学 热力学 电极 有机化学 物理
作者
Chandraraj Alex,Rajkumar Jana,Vivek Ramakrishnan,Muhammed Safeer Naduvil Kovilakath,Ayan Datta,Neena S. John,Akhil Tayal
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (10): 5342-5351 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsaem.3c00320
摘要

MoO2 is an effective host and catalytic material for electrochemical hydrogen evolution reaction in the form of composites, heterostructures, core–shell structures, and doped systems. Using pristine MoO2 as the electrocatalyst is less known due to a lack of knowledge of the active sites and their development during the hydrogen evolution reaction (HER). In this work, we have correlated the active-site evolution on applying a cathodic potential to pristine MoO2 and the corresponding improvement in catalytic activity. The activity enhancement is observed as a progressive reduction of overpotential from 0.62 to 0.42 V (vs RHE) at 1 mA/cm2 during potential cycles accompanied by a tremendous lowering of the Tafel slope (b) from 127 to 72 mV/dec. The decreased b value reveals that the developed active sites hasten the reaction via a change in the rate-determining step from Volmer to Heyrovsky. The changes in the Mo oxidation states and the local coordination environment of Mo–O are monitored by advanced X-ray absorption spectroscopy, unfolding the emergence of active sites in MoO2 through a change of Mo–O coordination from octahedral (Oh) to the coordinatively unsaturated distorted Oh environment with a lowering of the Mo–O coordination number and oxidation states of Mo ions. The key thermodynamic and kinetic parameters, namely, the change in Gibbs free energy for hydrogen adsorption on the catalyst surface and the kinetic activation barrier related to the HER rate-determining step for both activated (MoO2–x) and pristine MoO2, have been simulated and rationalized with the experimental results.
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