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Designing 3d Transition Metal Cation-Doped MRuOx As Durable Acidic Oxygen Evolution Electrocatalysts for PEM Water Electrolyzers

化学 析氧 过渡金属 氧气 兴奋剂 纳米技术 金属 无机化学 化学工程 电化学 物理化学 催化作用 有机化学 电极 光电子学 物理 材料科学 工程类
作者
Panpan Sun,Zelong Qiao,Xiaobin Dong,Run Jiang,Zhong-Ting Hu,Jimmy Yun,Dapeng Cao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (22): 15515-15524 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04096
摘要

The continuous dissolution and oxidation of active sites in Ru-based electrocatalysts have greatly hindered their practical application in proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWE). In this work, we first used density functional theory (DFT) to calculate the dissolution energy of Ru in the 3d transition metal-doped MRuOx (M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn) to evaluate their stability for acidic oxygen evolution reaction (OER) and screen out ZnRuOx as the best candidate. To confirm the theoretical predictions, we experimentally synthesized these MRuOx materials and found that ZnRuOx indeed displays robust acidic OER stability with a negligible decay of η10 after 15 000 CV cycles. Of importance, using ZnRuOx as the anode, the PEMWE can run stably for 120 h at 200 mA cm–2. We also further uncover the stability mechanism of ZnRuOx, i.e., Zn atoms doped in the outside of ZnRuOx nanocrystal would form a "Zn-rich" shell, which effectively shortened average Ru–O bond lengths in ZnRuOx to strengthen the Ru–O interaction and therefore boosted intrinsic stability of ZnRuOx in acidic OER. In short, this work not only provides a new study paradigm of using DFT calculations to guide the experimental synthesis but also offers a proof-of-concept with 3d metal dopants as RuO2 stabilizer as a universal principle to develop high-durability Ru-based catalysts for PEMWE.
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