Mixed Ionic–Covalent Bonds Achieve Durable Acidic Water Oxidation

化学 共价键 离子键合 高分子化学 化学工程 有机化学 离子 工程类
作者
Shicheng Zhu,Ruoou Yang,Yingying Xu,Xintong Li,Zhengxuan Shi,Lin Yu,Youwen Liu,Huiqiao Li,Tianyou Zhai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c12381
摘要

The widespread deployment of proton exchange membrane (PEM) water electrolysis is hindered by the instability of oxygen evolution reaction (OER) catalysts under acidic conditions, stemming from coupled degradation mechanisms: lattice oxygen overoxidation (driven by high metal-oxygen (M-O) covalency) and acid-induced metal leaching/collapse. Here, we introduce an electronegativity-guided Li- and Ru-doped spinel Co3O4 (LRCO) catalyst featuring mixed Li-O (ionic) and Ru/Co-O (covalent) bonding. This design simultaneously stabilizes lattice oxygen via strong Li-O anchoring and modulates metal valence states through Ru-O-Co electron sharing, preventing overoxidation. Operando studies reveal a potential-dependent mechanism where Ru donates electrons to Co at low potentials, forming active Ru species, and electron redistribution prevents Ru overoxidation at high potentials. Crucially, Li-O bonds effectively suppress oxygen vacancy formation throughout, and Ru-O coordination remains stable, even at high potentials. LRCO achieves a record-low overpotential of 141 mV at 10 mA cm-2 with >3,300 h stability. Integrated PEM electrolyzers operated >720 h at 1 A cm-2, achieving a key milestone toward next-decade industry targets.
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