Electrocatalytic Water Oxidation at Neutral pH–Deciphering the Rate Constraints for an Amorphous Cobalt‐Phosphate Catalyst System

塔菲尔方程 电解质 限制电流 催化作用 析氧 无机化学 电化学 材料科学 介电谱 扩散 化学工程 化学 电极 物理化学 热力学 工程类 物理 生物化学
作者
Si Liu,Ivelina Zaharieva,Luca D’Amario,Stefan Mebs,Paul Kubella,Fan Yang,Paul Beyer,Michael Haumann,Holger Dau
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (46) 被引量:41
标识
DOI:10.1002/aenm.202202914
摘要

Abstract The oxygen evolution reaction (OER) is pivotal in sustainable fuel production. Neutral‐pH OER reduces operational risks and enables direct coupling to electrochemical CO 2 reduction, but typically is hampered by low current densities. Here, the rate limitations in neutral‐pH OER are clarified. Using cobalt‐based catalyst films and phosphate ions as essential electrolyte bases, current–potential curves are recorded and simulated. Operando X‐ray spectroscopy shows the potential‐dependent structural changes independent of the electrolyte phosphate concentration. Operando Raman spectroscopy uncovers electrolyte acidification at a micrometer distance from the catalyst surface, limiting the Tafel slope regime to low current densities. The electrolyte proton transport is facilitated by diffusion of either phosphate ions (base pathway) or H 3 O + ions (water pathway). The water pathway is not associated with an absolute current limit but is energetically inefficient due to the Tafel‐slope increase by 60 mV dec −1 , shown by an uncomplicated mathematical model. The base pathway is a specific requirement in neutral‐pH OER and can support high current densities, but only with accelerated buffer‐base diffusion. Catalyst internal phosphate diffusion or other internal transport mechanisms do not limit the current densities. A proof‐of‐principle experiment shows that current densities exceeding 1 A cm −2 can also be achieved in neutral‐pH OER.
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