Proton Relay in Hydrogen-Bond Networks Promotes Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalysis

电催化剂 质子 继电器 材料科学 氢键 化学物理 原子物理学 化学 物理 物理化学 电极 电化学 核物理学 分子 功率(物理) 有机化学 量子力学
作者
Yuefei Li,Shishi Zhang,Boyang Li,Yaqiong Su,Jie Kong,Jiayuan Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (7): 7401-7416 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00318
摘要

Common O-/H-down orientation of H2O molecules on electrocatalysts brings favorable OH/H delivery; however, adverse H/OH delivery in their dissociation process hampers the H2O dissociation kinetics of the alkaline hydrogen evolution reaction (HER). To overcome this challenge, we raised a synergetic H2O dissociation concept of metal-supported electrocatalysts involving efficient OH delivery from O-down H2O to the metal, timely proton relay from O-down H2O on the metal to H-down H2O on the support through the hydrogen-bond network, and prompt H delivery from H-down H2O to the support. After theoretically profiling that a high work function difference between the metal and the support (ΔΦ) induces a strong electric field at the metal-support interface that increases hydrogen-bond connectivity to promote proton relay, we practiced this concept over cobalt phosphide-supported ruthenium (Ru/CoP) catalysts with a high ΔΦ = 0.4 eV, achieving a record-high Ru utilization HER activity of 66.1 A mgRu-1 at -0.1 V vs RHE. The insights into this synergetic H2O dissociation mechanism provide opportunity for the design of bicomponent alkaline HER electrocatalysts.
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