Nitrogen-Mediated Promotion of Cobalt-Based Oxygen Evolution Catalyst for Practical Anion-Exchange Membrane Electrolysis

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作者
Pengcheng Yu,Xiaolong Zhang,Tian-Yun Zhang,Xuyingnan Tao,Yang Yu,Ye-Hua Wang,Sichao Zhang,Fei‐Yue Gao,Zhuang‐Zhuang Niu,Minghui Fan,Min‐Rui Gao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (29): 20379-20390 被引量:116
标识
DOI:10.1021/jacs.4c05983
摘要

Scarce and expensive iridium oxide is still the cornerstone catalyst of polymer-electrolyte membrane electrolyzers for green hydrogen production because of its exceptional stability under industrially relevant oxygen evolution reaction (OER) conditions. Earth-abundant transition metal oxides used for this task, however, show poor long-term stability. We demonstrate here the use of nitrogen-doped cobalt oxide as an effective iridium substitute. The catalyst exhibits a low overpotential of 240 mV at 10 mA cm–2 and negligible activity decay after 1000 h of operation in an alkaline electrolyte. Incorporation of nitrogen dopants not only triggers the OER mechanism switched from the traditional adsorbate evolution route to the lattice oxygen oxidation route but also achieves oxygen nonbonding (ONB) states as electron donors, thereby preventing structural destabilization. In a practical anion-exchange membrane water electrolyzer, this catalyst at anode delivers a current density of 1000 mA cm–2 at 1.78 V and an electrical efficiency of 47.8 kW-hours per kilogram hydrogen.
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