Optimizing Ru–Zn Dual Sites in Ru 1– x Zn x O 2 for Efficient Acidic Water Oxidation via Oxide Path Mechanism

析氧 密度泛函理论 色散(光学) 吸附 氧化物 电化学 兴奋剂 材料科学 化学工程 无机化学 化学 路径(计算) 星团(航天器) 催化作用 化学物理 机制(生物学) 氧气 设计要素和原则 电流密度 纳米技术 分解水 反应机理 过渡金属 结构稳定性 拓扑(电路) 复合氧化物 理论(学习稳定性) 金属
作者
Zhe Shang,Hui Li
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (50): 12919-12930 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c03207
摘要

While Zn-doping significantly enhances the electrochemical performance of RuO 2 for the acidic oxygen evolution reaction (OER), the underlying mechanisms and the optimal design principles remain unclear. Here, we employ a cluster expansion (CE) model based on density functional theory (DFT) calculations to systematically explore energetically favorable configurations of Ru 1– x Zn x O 2 with Zn concentrations ranging from 4.2% to 25%. Our results reveal that varying Zn doping levels can both induce uniform Zn dispersion to create abundant atomically dispersed Ru–Zn dual-metal sites on the RuO 2 (110) surface and enable precise tuning of Ru–Zn intersite distance to promote oxide path mechanism (OPM) in the OER. Moreover, the operating potential dynamically modulates the electronic structure of these dual-sites, adjusting adsorption energies of the OER intermediates and enabling precise control over reaction pathways. Additionally, the structural stability of Ru 1– x Zn x O 2 during the OER is positively correlated with the Zn-doping concentration and no longer significantly increased when the Zn concentration is >12.5%. Our findings establish two key design strategies for optimizing OPM: (1) maintaining low operating potentials and (2) controlling Zn doping at ∼12.5%. Under such conditions, OPM overcomes the theoretical limitations of conventional adsorbate evolution mechanism (AEM), achieving significantly reduced overpotentials and enhanced durability in acidic OER.
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