Rational strain engineering in delafossite oxides for highly efficient hydrogen evolution catalysis in acidic media

长石 催化作用 合理设计 应变工程 拉伤 化学 化学工程 材料科学 纳米技术 氧化物 冶金 工程类 有机化学 生物 解剖
作者
Filip Podjaski,Daniel Weber,Siyuan Zhang,Leo Diehl,Roland Eger,Viola Düppel,Esther Alarcón‐Lladó,Gunther Richter,Frederik Haase,Anna Fontcuberta i Morral,Christina Scheu,Bettina V. Lotsch
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:3 (1): 55-63 被引量:205
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0400-x
摘要

The rational design of hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalysts which are competitive with platinum is an outstanding challenge to make power-to-gas technologies economically viable. Here, we introduce the delafossites PdCrO$_2$, PdCoO$_2$ and PtCoO$_2$ as a new family of electrocatalysts for the HER in acidic media. We show that in PdCoO$_2$ the inherently strained Pd metal sublattice acts as a pseudomorphic template for the growth of a strained (by +2.3%) Pd rich capping layer under reductive conditions. The surface modification continuously improves the electrocatalytic activity by simultaneously increasing the exchange current density j$_0$ from 2 to 5 mA/cm$^2_{geo}$ and by reducing the Tafel slope down to 38 mV/decade, leading to overpotentials $\eta_{10}$ < 15 mV for 10 mA/cm$^2_{geo}$, superior to bulk platinum. The greatly improved activity is attributed to the in-situ stabilization of a $\beta$-palladium hydride phase with drastically enhanced surface catalytic properties with respect to pure or nanostructured palladium. These findings illustrate how operando induced electrodissolution can be used as a top-down design concept for rational surface and property engineering through the strain-stabilized formation of catalytically active phases.
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