Stabilizing atomic Ru species in conjugated sp2 carbon-linked covalent organic framework for acidic water oxidation

共价键 共轭体系 溶解 氧气 催化作用 化学 拉曼光谱 氧化态 电化学 光化学 析氧 钌 无机化学 有机化学 聚合物 物理化学 物理 光学 电极
作者
Hongnan Jia,Na Yao,Yiming Jin,Liqing Wu,Juan Zhu,Wei Luo
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:42
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49834-5
摘要

Abstract Suppressing the kinetically favorable lattice oxygen oxidation mechanism pathway and triggering the adsorbate evolution mechanism pathway at the expense of activity are the state-of-the-art strategies for Ru-based electrocatalysts toward acidic water oxidation. Herein, atomically dispersed Ru species are anchored into an acidic stable vinyl-linked 2D covalent organic framework with unique crossed π-conjugation, termed as COF-205-Ru. The crossed π-conjugated structure of COF-205-Ru not only suppresses the dissolution of Ru through strong Ru-N motifs, but also reduces the oxidation state of Ru by multiple π-conjugations, thereby activating the oxygen coordinated to Ru and stabilizing the oxygen vacancies during oxygen evolution process. Experimental results including X-ray absorption spectroscopy, in situ Raman spectroscopy, in situ powder X-ray diffraction patterns, and theoretical calculations unveil the activated oxygen with elevated energy level of O 2 p band, decreased oxygen vacancy formation energy, promoted electrochemical stability, and significantly reduced energy barrier of potential determining step for acidic water oxidation. Consequently, the obtained COF-205-Ru displays a high mass activity with 2659.3 A g −1 , which is 32-fold higher than the commercial RuO 2 , and retains long-term durability of over 280 h. This work provides a strategy to simultaneously promote the stability and activity of Ru-based catalysts for acidic water oxidation.
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