Stabilization of ultrathin (hydroxy)oxide films on transition metal substrates for electrochemical energy conversion

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作者
Zhenhua Zeng,Kee‐Chul Chang,Joseph Kubal,Nenad M. Marković,Jeffrey Greeley
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:2 (6) 被引量:197
标识
DOI:10.1038/nenergy.2017.70
摘要

Design of cost-effective electrocatalysts with enhanced stability and activity is of paramount importance for the next generation of energy conversion systems, including fuel cells and electrolysers. However, electrocatalytic materials generally improve one of these properties at the expense of the other. Here, using density functional theory calculations and electrochemical surface science measurements, we explore atomic-level features of ultrathin (hydroxy)oxide films on transition metal substrates and demonstrate that these films exhibit both excellent stability and activity for electrocatalytic applications. The films adopt structures with stabilities that significantly exceed bulk Pourbaix limits, including stoichiometries not found in bulk and properties that are tunable by controlling voltage, film composition, and substrate identity. Using nickel (hydroxy)oxide/Pt(111) as an example, we further show how the films enhance activity for hydrogen evolution through a bifunctional effect. The results suggest design principles for this class of electrocatalysts with simultaneously enhanced stability and activity for energy conversion. Development of electrocatalysts with high stability and activity is a critical challenge. Here, the authors combine simulations with in situ experiments to identify principles underlying simultaneously enhanced stability and activity of ultrathin (hydroxy)oxide films on transition metal substrates.
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