Rate-Limiting O–O Bond Formation Pathways for Water Oxidation on Hematite Photoanode

化学 赤铁矿 速率决定步骤 光化学 介电谱 质子化 反应机理 电化学 无机化学 催化作用 物理化学 矿物学 电极 有机化学 离子
作者
Yuchao Zhang,Hongna Zhang,Anan Liu,Chuncheng Chen,Wenjing Song,Jincai Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (9): 3264-3269 被引量:200
标识
DOI:10.1021/jacs.7b10979
摘要

Photoelectrochemical (PEC) water oxidation has attracted heightened interest in solar fuel production. It is well accepted that water oxidation on hematite is mediated by surface trapped holes, characterized to be the high valent -Fe═O species. However, the mechanism of the subsequent rate-limiting O-O bond formation step is still a missing piece. Herein we investigate the reaction order of interfacial hole transfer by rate law analysis based on electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement and probe the reaction intermediates by operando Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy. Distinct reaction orders of ∼1 and ∼2 were observed in near-neutral and highly alkaline environments, respectively. The unity rate law in near-neutral pH regions suggests a mechanism of water nucleophilic attack (WNA) to -Fe═O to form the O-O bond. Operando observation of a surface superoxide species that hydrogen bonded to the adjacent hydroxyl group by FT-IR further confirmed this pathway. In highly alkaline regions, coupling of adjacent surface trapped holes (I2M) becomes the dominant mechanism. While both are operable at intermediate pHs, mechanism switch from I2M to WNA induced by local pH decrease was observed at high photocurrent level. Our results highlight the significant impact of surface protonation on O-O bond formation pathways and oxygen evolution kinetics on hematite surfaces.
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