A’–B Intersite Cooperation-Enhanced Water Splitting in Quadruple Perovskite Oxide CaCu3Ir4O12

析氧 过电位 分解水 钙钛矿(结构) 价(化学) 化学 电化学 氧化物 密度泛函理论 化学物理 催化作用 结晶学 物理化学 计算化学 电极 光催化 有机化学 生物化学
作者
Xubin Ye,Sanzhao Song,Lili Li,Yu‐Chung Chang,Shijun Qin,Zhehong Liu,Yucheng Huang,Jing Zhou,Linjuan Zhang,Chung‐Li Dong,Chih‐Wen Pao,Hong‐Ji Lin,Chien‐Te Chen,Zhiwei Hu,Jian‐Qiang Wang,Youwen Long
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (23): 9295-9305 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c03015
摘要

Developing highly efficient electrochemical catalysts and exploring the basic mechanisms for the oxygen evolution reaction (OER) are key issues for the large-scale commercialization of environmentally friendly electrolytic hydrogen energy. Compared with a simple ABO3 perovskite, the A-site-ordered quadruple structure AA'3B4O12 shows enhanced OER activity, but the underlying mechanisms remain unknown. Herein, we find that the quadruple perovskite oxide CaCu3Ir4O12 has stable and superior electrochemical activity with a very low overpotential of 252 mV to achieve the current density of 10 mA·cm–2 in alkaline solution. Operando X-ray absorption spectroscopy reveals that the B-site Ir is an OER active site with a variable valence state from the initial Ir4+ approach to Ir5+, while the A'-site Cu is inactive with a constant valence state during the OER process. Density functional theory calculations demonstrate that the A'–B intersite cooperation synergistically enhances OER activity via the corner-sharing Cu–O–Ir framework owing to the strong 3d–2p–5d orbital hybridizations, regardless of the inactive Cu site. In the structural constitution of CaCu3Ir4O12, a small Cu–O–Ir bond angle (110.7°) forms. The special orbital symmetry as well as the delicate 3d–5d levels enhance the orbital overlap and therefore promote the charge transfer, favoring the superior OER activity of CaCu3Ir4O12.
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