Strategic Design for High-Efficiency Oxygen Evolution Reaction (OER) Catalysts by Triggering Lattice Oxygen Oxidation in Cobalt Spinel Oxides

尖晶石 析氧 催化作用 氧气 材料科学 化学工程 无机化学 化学 冶金 物理化学 电化学 有机化学 电极 工程类
作者
Qingming Deng,Hui Li,Ke Pei,Lok Wing Wong,Xiaodong Zheng,Chi Shing Tsang,Honglin Chen,Wenqian Shen,Thuc Hue Ly,Jiong Zhao,Qiang Fu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (49): 33718-33728 被引量:54
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14158
摘要

High-efficiency catalysts with refined electronic structures are highly desirable for promoting the kinetics of the oxygen evolution reaction (OER) and enhancing catalyst durability. This study comprehensively explores strategies involving metal doping and oxygen vacancies for enhancing the acidic OER catalytic activity of Co3O4. Through extensive screening of 3d and 4d transition metals using density functional theory (DFT) simulations, we demonstrate that the incorporation of metal dopants and oxygen vacancies into Co3O4 potentially triggers a transition from the adsorbate evolution mechanism (AEM) to the lattice oxygen oxidation mechanism (LOM) in the oxygen evolution reaction (OER). While the formation of the O-O bond in the intermediate *OOH poses challenges, a significantly reduced overpotential facilitates efficient conversion of O to O2 through the LOM in *OH and lattice oxygen. Additionally, we find that Mn doping can significantly improve the stability of the catalyst. Building upon the rationale above, we employed a dual doping strategy in subsequent experiments to enhance both the activity and stability. Our final design involved the codoping of Mn and Ru in Co3O4, along with an appropriate amount of oxygen vacancies. This catalyst demonstrates a low overpotential (η10 = 230 mV) compared to pure Co3O4 and maintains stable operation for over 120 h, representing a 12-fold increase. By exploring and harnessing the LOM, more efficient, stable, and cost-effective OER catalysts can be designed, providing crucial support for technologies such as water electrolysis in clean energy.
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