Local Charge Transfer Unveils Antideactivation of Ru at High Potentials for the Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction

化学 阳极 氢氧化物 催化作用 纳米颗粒 电子转移 密度泛函理论 氧化还原 无机化学 电极 光化学 物理化学 计算化学 纳米技术 有机化学 材料科学
作者
Hongda Shi,Yang Yang,Pin Meng,Jiahe Yang,Wei Zheng,Pengcheng Wang,Yunlong Zhang,Xingyan Chen,Zhiyu Cheng,Cichang Zong,Dongdong Wang,Qianwang Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (24): 16619-16629 被引量:93
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03622
摘要

The activity of Ru-based alkaline hydrogen oxidation reaction (HOR) electrocatalysts usually decreases rapidly at potentials higher than 0.1 V (vs a reversible hydrogen electrode (RHE)), which significantly limits the lifetime of fuel cells. It is found that this phenomenon is caused by the overadsorption of the O species due to the overcharging of Ru nanoparticles at high potentials. Here, Mn1Ox(OH)y clusters-modified Ru nanoparticles (Mn1Ox(OH)y@Ru/C) were prepared to promote charge transfer from overcharged Ru nanoparticles to Mn1Ox(OH)y clusters. Mn1Ox(OH)y@Ru/C exhibits high HOR activity and stability over a wide potential range of 0–1.0 V. Moreover, a hydroxide exchange membrane fuel cell with a Mn1Ox(OH)y@Ru/C anode delivers a high peak power density of 1.731 W cm–2, much superior to that of a Pt/C anode. In situ X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis and density functional theory (DFT) calculations reveal that Mn in Mn1Ox(OH)y clusters could receive more electrons from overcharged Ru at higher potentials and significantly decrease the overadsorption of the O species on Ru, thus permitting the HOR on Ru to proceed at high potentials. This study provides guidance for the design of alkaline HOR catalysts without activity decay at high potentials.
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