Octahedral Co2+-O-Co3+ in mixed cobalt spinel promotes active and stable acidic oxygen evolution

尖晶石 八面体 氧气 催化作用 过电位 化学 电解 溶解 析氧 无机化学 结晶学 材料科学 晶体结构 冶金 物理化学 电解质 有机化学 生物化学 电化学 电极
作者
Daojin Zhou,Jiaqi Yu,Jialun Tang,Xiaoyan Li,Pengfei Ou
出处
期刊:Research Square - Research Square 被引量:7
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-4530526/v1
摘要

Abstract Cobalt (Co)-based oxides show promising activity as precious metal-free catalysts for the oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis, but the dissolution of Co has limited the durability of Co3O4 at industrially relevant current densities. This work demonstrates that cation in an octahedral coordination environment accounts for the oxygen evolution activity. Using a mixed inverse-normal phase spinel CoxGa(3-x)O4 as a proof-of-concept example, the designed Co2+-O-Co3+ motifs in octahedral sites trigger oxygen evolution through a kinetically favorable radical coupling pathway. Furthermore, lattice oxygen exchange, a leading factor in catalyst structural degradation for normal Co3O4, is suppressed, as evidenced by isotopic labeling experiments and theoretical calculations. With the optimized catalyst, Co1.8Ga1.2O4, we report an overpotential of 310 mV at 10 mA/cm2, stable operation at 200 mA/cm2 for 200 hours in a three-electrode setup, and a proton exchange membrane electrolyzer operating at 200 mA/cm2 for 450 hours.
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