Facet-Dependent Oxygen Evolution Reaction Activity of IrO2 from Quantum Mechanics and Experiments

化学 析氧 氧化还原 化学物理 面(心理学) 密度泛函理论 氧气 计算化学 物理化学 无机化学 社会心理学 心理学 有机化学 人格 五大性格特征 电极 电化学
作者
Soonho Kwon,Kelsey A. Stoerzinger,Reshma R. Rao,Liang Qiao,William A. Goddard,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (17): 11719-11725 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.3c14271
摘要

The diversity of chemical environments present on unique crystallographic facets can drive dramatic differences in catalytic activity and the reaction mechanism. By coupling experimental investigations of five different IrO2 facets and theory, we characterize the detailed elemental steps of the surface redox processes and the rate-limiting processes for the oxygen evolution reaction (OER). The predicted complex evolution of surface adsorbates and the associated charge transfer as a function of applied potential matches well with the distinct redox features observed experimentally for the five facets. Our microkinetic model from grand canonical quantum mechanics (GC-QM) calculations demonstrates mechanistic differences between nucleophilic attack and O–O coupling across facets, providing the rates as a function of applied potential. These GC-QM calculations explain the higher OER activity observed on the (100), (001), and (110) facets and the lower activity observed for the (101) and (111) facets. This combined study with theory and experiment brings new insights into the structural features that either promote or hinder the OER activity of IrO2, which are expected to provide parallels in structural effects on other oxide surfaces.
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