Potential-Dependent Phase Transition and Mo-Enriched Surface Reconstruction of γ-CoOOH in a Heterostructured Co-Mo2C Precatalyst Enable Water Oxidation

催化作用 析氧 X射线光电子能谱 过渡金属 化学 化学工程 材料科学 无机化学 物理化学 电极 电化学 生物化学 工程类
作者
Zongkui Kou,Yong Yu,Ximeng Liu,Xiaorui Gao,Lirong Zheng,Haiyuan Zou,Yajun Pang,Zhongyang Wang,Zhenghui Pan,Jiaqing He,Stephen J. Pennycook,John Wang
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:10 (7): 4411-4419 被引量:213
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c00340
摘要

Developing highly active oxygen evolution reaction (OER) catalysts with fast OER kinetics is crucial for disruptively changing the energy technology, where unlocking of the catalytic origin is the key to the rational design of high-performance catalysts. Herein, a Co-based heterostructure consisting of cobalt (Co) and molybdenum carbide (Mo2C) nanoparticles in a 2D morphology is purposely designed as an OER precatalyst. At the initial stage of the OER in alkaline solution, the fast phase transition of Co metal into γ-phase cobalt oxyhydroxide (γ-CoOOH) in the presence of Mo2C gives rise to a Mo-enriched surface of the defective γ-CoOOH. This significantly raises the OER kinetics and gives an almost 90% enhancement in catalytic activity per metal site. Interestingly, the phase transition to γ-CoOOH and Mo-enriched surface reconstruction are potential-dependent and are accelerated at 1.4 V, as revealed by in situ Raman spectroscopy as well as ex situ scanning transmission electron microscopy studies. Potential-dependent X-ray photoelectron spectroscopy analyses and methanol oxidation experiments further confirm that the Mo enrichment into the defective CoOOH surface promotes electron flow from Mo to Co sites via the bridging oxygen, greatly benefiting the electrostatic adsorption of OH– ions and smoothing the subsequent OER steps.
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