Lattice Oxygen Exchange in Rutile IrO2 during the Oxygen Evolution Reaction

析氧 催化作用 金红石 氧气 氧化物 化学 电化学 化学物理 化学工程 无机化学 材料科学 物理化学 电极 生物化学 有机化学 工程类
作者
Kevin Schweinar,Baptiste Gault,Isabelle Mouton,Olga Kasian
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (13): 5008-5014 被引量:107
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.0c01258
摘要

The development of efficient acidic water electrolyzers relies on understanding dynamic changes of the Ir-based catalytic surfaces during the oxygen evolution reaction (OER). Such changes include degradation, oxidation, and amorphization processes, each of which somehow affects the material's catalytic performance and durability. Some mechanisms involve the release of oxygen atoms from the oxide's lattice, the extent of which is determined by the structure of the catalyst. While the stability of hydrous Ir oxides suffers from the active participation of lattice oxygen atoms in the OER, rutile IrO2 is more stable and the lattice oxygen involvement is still under debate due to the insufficient sensitivity of commonly used online electrochemical mass spectrometry. Here, we revisit the case of rutile IrO2 at the atomic scale by a combination of isotope labeling and atom probe tomography and reveal the exchange of oxygen atoms between the oxide lattice and water. Our approach enables direct visualization of the electrochemically active volume of the catalysts and allows for the estimation of an oxygen exchange rate during the OER that is discussed in view of surface restructuring and subsequent degradation. Our work presents an unprecedented opportunity to quantitatively assess the exchange of surface species during an electrochemical reaction, relevant for the optimization of the long-term stability of catalytic systems.
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