Beyond the Rate-Determining Step in the Oxygen Evolution Reaction over a Single-Crystalline IrO 2 (110) Model Electrode: Kinetic Scaling Relations

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作者
Kai Steffen Exner,Herbert Over
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:9 (8): 6755-6765 被引量:197
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b01564
摘要

Electrochemical water splitting is a key technology for moving toward a promising energy scenario based on renewable (regenerative) energy resources in that wind and solar energy can be stored and buffered in chemical bonds, such as in H 2 . The efficiency of water electrolysis is, however, limited by the sluggish oxygen evolution reaction (OER) at the anode, for which IrO 2 -based electrodes are considered to be the best compromise of a stable and reasonably active OER electrocatalyst in acidic medium. To improve existing OER electrocatalysts and to advance a rational search of promising alternative electrode materials, it is imperative to identify the rate-determining step (rds). We apply here the concept of the free energy diagram along the reaction coordinate to identify the rate-determining step (rds) in the oxygen evolution reaction (OER) over an IrO 2 (110) model anode in both acidic and basic media. The free energy diagram as a function of the applied electrode potential is constructed from experimental Tafel plots and ab initio Pourbaix diagrams. Quite in contrast to common perception, the rds for the OER over IrO 2 (110) at high overpotentials is identified with the decomposition of the OOH adsorbate via a decoupled electron–proton transfer to form gaseous O 2 . Combining linear scaling relationships with the free energy diagram approach leads to the introduction of kinetic scaling relations, which allow us to predict the rate-determining step (rds) of the OER over general transition metal oxide electrocatalysts in the high-overpotential regime by a single descriptor, namely, the free formation energy of oxygen with respect to the OH adsorbate (ΔG 2 ) on the anode surface. On the basis of kinetic scaling relations we suggest that further improvement of the catalytic OER performance may require a decoupling of the electron–proton transfer in the rds.
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