Role of Defects in the Interplay between Adsorbate Evolving and Lattice Oxygen Mechanisms of the Oxygen Evolution Reaction in RuO2 and IrO2

催化作用 氧气 溶解 化学物理 掺杂剂 析氧 材料科学 密度泛函理论 化学 物理化学 计算化学 兴奋剂 电极 电化学 有机化学 生物化学 光电子学
作者
Alexandra Zagalskaya,Vitaly Alexandrov
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:10 (6): 3650-3657 被引量:396
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b05544
摘要

The mechanistic interplay between the oxygen evolution reaction (OER) and material degradation during water electrolysis is not yet well understood even for the most studied OER electrocatalysts such as RuO2 and IrO2. It is still disputed whether the lattice oxygen mechanism (LOM) may be competitive with the conventional adsorbate evolving mechanism (AEM) of the OER in these materials and, if so, under what conditions. Herein, we employ density functional theory calculations to demonstrate that the LOM can give rise to higher OER activity than the AEM at the active sites involving structural defects, both intrinsic and extrinsic. Specifically, we show that, although the AEM is preferred for the perfect (110) and (211) surfaces, the formation of metal vacancies due to catalyst dissolution may lead to much lower OER overpotentials for the LOM. Also, by screening several metal impurities in RuO2, we reveal that dopants such as Ni and Co can promote the LOM over the AEM even for the perfectly structured surfaces. Overall, we demonstrate that defective IrO2 is less LOM active than RuO2 that should contribute to its superior stability under OER conditions.
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