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Arming Ru with Oxygen‐Vacancy‐Enriched RuO2 Sub‐Nanometer Skin Activates Superior Bifunctionality for pH‐Universal Overall Water Splitting

过电位 分解水 析氧 材料科学 氧气 催化作用 溶解 电解水 纳米技术 化学工程 电解 化学 电极 电化学 物理化学 光催化 电解质 工程类 有机化学 生物化学
作者
Yapeng Li,Wentao Wang,Mingyu Cheng,Yafei Feng,Xiao Han,Qizhu Qian,Yin Zhu,Genqiang Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (24) 被引量:183
标识
DOI:10.1002/adma.202206351
摘要

Water electrolysis has been expected to assimilate the renewable yet intermediate energy-derived electricity for green H2 production. However, current benchmark anodic catalysts of Ir/Ru-based compounds suffer severely from poor dissolution resistance. Herein, an effective modification strategy is proposed by arming a sub-nanometer RuO2 skin with abundant oxygen vacancies to the interconnected Ru clusters/carbon hybrid microsheet (denoted as Ru@V-RuO2 /C HMS), which can not only inherit the high hydrogen evolution reaction (HER) activity of the Ru, but more importantly, activate the superior activity toward the oxygen evolution reaction (OER) in both acid and alkaline conditions. Outstandingly, it can achieve an ultralow overpotential of 176/201 mV for OER and 46/6 mV for the HER to reach 10 mA cm-2 in acidic and alkaline solution, respectively. Inspiringly, the overall water splitting can be driven with an ultrasmall cell voltage of 1.467/1.437 V for 10 mA cm-2 in 0.5 m H2 SO4 /1.0 m KOH, respectively. Density functional theory calculations reveal that armoring the oxygen-vacancy-enriched RuO2 exoskeleton can cooperatively alter the interfacial electronic structure and make the adsorption behavior of hydrogen and oxygen intermediates much close to the ideal level, thus simultaneously speeding up the hydrogen evolution kinetics and decreasing the energy barrier of oxygen release.
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