Unraveling Sequential Oxidation Kinetics and Determining Roles of Multi-Cobalt Active Sites on Co3O4 Catalyst for Water Oxidation

化学 析氧 催化作用 动力学 化学动力学 催化循环 催化氧化 氧化还原 光化学 无机化学 物理化学 电极 有机化学 电化学 量子力学 物理
作者
Wanchao Kang,Ruifang Wei,Heng Yin,Dongfeng Li,Zheng Chen,Qinge Huang,Pengfei Zhang,Huanwang Jing,Xiuli Wang,Can Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (6): 3470-3477 被引量:91
标识
DOI:10.1021/jacs.2c11508
摘要

The multi-redox mechanism involving multi-sites has great implications to dictate the catalytic water oxidation. Understanding the sequential dynamics of multi-steps in oxygen evolution reaction (OER) cycles on working catalysts is a highly important but challenging issue. Here, using quasi-operando transient absorption (TA) spectroscopy and a typical photosensitization strategy, we succeeded in resolving the sequential oxidation kinetics involving multi-active sites for water oxidation in OER catalytic cycle, with Co3O4 nanoparticles as model catalysts. When OER initiates from fast oxidation of surface Co2+ ions, both surface Co2+ and Co3+ ions are active sites of the multi-cobalt centers for water oxidation. In the sequential kinetics (Co2+ → Co3+ → Co4+), the key characteristic is fast oxidation and slow consumption for all the cobalt species. Due to this characteristic, the Co4+ intermediate distribution plays a determining role in OER activity and results in the slow overall OER kinetics. These insights shed light on the kinetic understanding of water oxidation on heterogeneous catalysts with multi-sites.
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