Octahedral Co2+‐O‐Co3+ in Mixed Cobalt Spinel Promotes Active and Stable Acidic Oxygen Evolution

钴 尖晶石 八面体 材料科学 氧气 无机化学 析氧 结晶学 物理化学 电化学 晶体结构 化学 冶金 电极 有机化学
作者
Daojin Zhou,Jiaqi Yu,Jialun Tang,Xiaoyan Li,Pengfei Ou
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (10) 被引量:49
标识
DOI:10.1002/aenm.202404007
摘要

Abstract Cobalt (Co)‐based oxides show promising activity as precious metal‐free catalysts for the oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis, but the dissolution of Co has limited the durability of Co3O4 at industrially relevant current densities. This work demonstrates that cation in an octahedral coordination environment accounts for the oxygen evolution activity. Using a mixed inverse‐normal phase spinel CoxGa(3‐x)O4 as a proof‐of‐concept example, the designed Co2+‐O‐Co3+ motifs in octahedral sites trigger oxygen evolution through a kinetically favorable radical coupling pathway. Furthermore, lattice oxygen exchange, a leading factor in catalyst structural degradation for normal Co3O4, is suppressed, as evidenced by isotopic labeling experiments and theoretical calculations. With the optimized catalyst, Co1.8Ga1.2O4, an overpotential of 310 mV at 10 mA cm−2 is reported, with stable operation at 200 mA cm−2 for 200 h in a three‐electrode setup, and a proton exchange membrane electrolyzer operating at 200 mA cm−2 for 450 h.
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