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Electrochemical Formation of a MnO 2 Nanoshield on Ru-Doped Mn 3 O 4 for Ultrastable Acidic Oxygen Evolution Catalysis

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作者
Haoqiang Song,Jingkun Yu,Mingjun Nie,Shaobo Cheng,Zhiyong Tang,Siyu Lu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (2): 2693-2702 被引量:7
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18952
摘要

Proton exchange membrane (PEM) water electrolysis is a promising strategy for large-scale hydrogen production; however, its industrial feasibility is hampered by the lack of highly active and durable oxygen evolution reaction (OER) catalysts in acidic environments. Ru-based catalysts offer high intrinsic activity but are susceptible to dissolution and structural degradation. To address this, this study proposes an electrically induced “nanoshield” strategy. A Ru single atom-doped Mn3O4 (Ru–Mn3O4) catalyst enables the in situ spontaneous reconstruction of the catalyst surface structure. Under an electric field, Mn3O4 crystals undergo interlayer slip and polarization rotation, inducing the growth of a porous MnO2 nanoshield on the catalyst surface, that effectively inhibits the dissolution of Ru active sites without compromising reaction activity. The catalyst exhibits excellent OER performance, delivering 10 mA cmgeo–2 at an overpotential of only 176 mV in 0.5 M H2SO4, and remains stable for over a year (8800 h) at a current density of 50 mA cmgeo–2. The PEM electrolyzer based on Ru–Mn3O4 shows a decay rate of 0.15 mV h–1 at 1000 mA cmgeo–2 and only 0.06 mV h–1 at 500 mA cmgeo–2, outperforming commercial RuO2. This study provides a new path for the construction of high-performance acidic OER catalysts and demonstrates the great potential of the nanoshield strategy in electrocatalytic structural protection.
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