Dual-Descriptor-Guided Screening of Stable Metal-Doped RuO 2 Catalysts for Acidic Oxygen Evolution

Pourbaix图 掺杂剂 化学 化学稳定性 催化作用 热力学 结构稳定性 计算化学 氧气 人口 物理化学 化学物理 理论(学习稳定性) 兴奋剂 无机化学 粘结长度 析氧 过渡金属 金属 化学键 分子 相图 结晶学 密度泛函理论 分子几何学 多相催化 混合功能 分子动力学
作者
Aiqing Cao,Susu Zhao,Anuj Kumar,Hao Sun,Mengwei Chen,Quandong Zhang,Bichen Yuan,Wenhai Xu,Yaling Zhang,Yu Zhang,Hui Li,Daojin Zhou,KANGMING LI,Fengmei Wang,Yaping Li,Haijun Xu,Xiaoming Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (4): 4250-4261 被引量:10
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17145
摘要

Doping metallic elements into RuO2 enhances the efficiency of proton-exchange membrane water electrolyzers (PEMWEs), yet identifying optimal dopants remains challenging due to a complex interplay of structural, electronic, and thermodynamic factors. Herein, computed E-pH-based Pourbaix diagrams combined with Ru–O bond-length analysis served as dual descriptors to evaluate the dopant-induced stability of RuO2. First, thermodynamic preferences of various dopants were revealed by comparing the formation energies of three oxygen-coordination states on M-RuO2 surfaces: O-covered (Oc), pristine, and O-depleted (Od). Second, first-principles-derived Pourbaix diagrams for M-RuO2, constructed as a function of pH from the formation energy, reflected the proton/electron transfer during oxidation and revealed metal-dependent thermodynamic stability. These diagrams defined distinct stability regions (SRs), governed by triple-point pH and phase-transition potentials (RuO2 to Ru3+/RuO4), serving as effective descriptors for dopant screening. Third, the Ru–O bond length (BL) acted as a structural descriptor, revealing that longer Ru*O–O (Ru*O: Ru with O adsorption) bonds suppress RuO4 formation, while shorter RuOv–O (RuOv: Ru with O vacancies) bonds reduce Ru3+ formation. This led to a volcano-type relationship between the SR and BLs, establishing two thresholds for dopant selection. Finally, eight dopants (Rh, Zn, Ga, Bi, Mn, Nb, Sn, and Os) were identified at the volcano peak, consistent with the experiments. Together, these thermodynamic structural descriptors offer a robust, universal framework for screening stable Ru-based electrocatalysts.
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