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Redirecting dynamic structural evolution of nickel-contained RuO2 catalyst during electrochemical oxygen evolution reaction

析氧 催化作用 电化学 氧气 化学 材料科学 化学工程 冶金 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Yuhan Zhao,Menghua Xi,Yanbin Qi,Xuedi Sheng,Pengfei Tian,Yihua Zhu,Xin Yang,Chunzhong Li,Hongliang Jiang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:69: 330-337 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.01.030
摘要

• Dynamic structural evolution of Ru-based catalysts is redirected. • Ni components inhibit the Ru 4+ oxidation and structural collapse. • DFT calculations suggest that the Ni component hinders the formation of oxygen vacancies. Electrochemical oxygen evolution reaction (OER) is a main efficiency bottleneck of water electrolysis. Commercial ruthenium oxide (RuO 2 ) catalyst displays remarkable activities but poor stability for OER. The instability stems from lattice oxygen oxidation, resulting in the oxidation of Ru 4+ to soluble Ru x + ( x > 4) species. Herein, we redirect dynamic structural evolution of Ru-based catalysts through introducing oxidized nickel (Ni) components. By virtue of comprehensive structural characterizations, such as high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), operando Raman and so forth, it is demonstrated that when the atomic content of Ni exceeds that of ruthenium (Ru), the Ni components can efficiently inhibit the Ru 4+ oxidation and structural collapse. Density functional theory (DFT) calculations suggest that the introduction of Ni component hinders the formation of oxygen vacancies, and makes lattice oxygen mediated mechanism turn to adsorbate evolution mechanism, which eventually improves the stability. The optimized nickel-contained RuO 2 catalyst delivers an effective reactivity with an overpotential of less than 215 mV to attain 10 mA cm −2 and remarkable stability with only 5 mV increment after 5000 potential cycles. This work provides insights into the origin of dynamic structural evolution of transition-metal-modified RuO 2 electrocatalysts.
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