Expediting the Volmer Step of Alkaline Hydrogen Oxidation with High-Efficiency and CO-Tolerance by Ru–O–Eu Bridge

催化作用 吸附 化学 电催化剂 分解水 无机化学 化学工程 纳米技术 材料科学 物理化学 电化学 光催化 电极 有机化学 工程类
作者
Luping Zhang,Sijie Chen,Tianheng Du,Xianzhe Zhao,Anqi Dong,Lifang Zhang,Tongfei Li,Linbo Li,Chenglin Yan,Tao Qian
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (50): 34195-34206 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c11614
摘要

The quest for economical and highly efficient nanomaterials for the alkaline hydrogen oxidation reaction (HOR) is imperative in advancing the technology of anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs). Efforts using Pt-based electrocatalysts for alkaline HOR are greatly plagued by their finitely intrinsic activities and significant CO poisoning, stemming from the difficulty of simultaneously optimizing surface adsorption toward different hydrogen-related adsorbates. Herein, Ru clusters coupled with Eu2O3 immobilized within N-doped carbon nanofibers (Ru/Eu2O3@N-CNFs) are developed toward drastically boosted electrocatalysis for HOR via a d-p-f gradient orbital coupling strategy. Theoretical calculations and in situ operando spectroscopy discover that the induction of Eu2O3 optimizes the Ru site electronic structure via constructing the gradient orbital coupling of Ru(3d)-O(2p)-Eu(4f), leading to optimal H intermediates, improved adsorption ability of OH and reduced energy barrier of water formation, and promoted CO oxidation, endowing the Ru/Eu2O3 as the promising catalyst alternative for fast alkaline hydrogen electrooxidation. As a result, the Ru/Eu2O3@N-CNFs reach an impressive kinetic current densities (jk) value of 156.3 mA cm-2 at 50 mV (38.4 times higher than Pt/C), and decent stability over 35000 s continuous operation. This comprehensive investigation featuring d-p-f gradient orbital coupling provides valuable insights for the strategic development of high-performance Ru-based materials for HOR and beyond.
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