Operando Spectroscopic Monitoring of Metal Chalcogenides for Overall Water Splitting: New Views of Active Species and Sites

金属 分解水 纳米技术 化学 材料科学 无机化学 催化作用 有机化学 光催化
作者
Yonggui Zhao,Wenchao Wan,Rolf Erni,Long Pan,Greta R. Patzke
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202400048
摘要

Metal‐based chalcogenides exhibit great promise for overall water splitting, yet their intrinsic catalytic reaction mechanisms remain to be fully understood. In this work, we employed operando X‐ray absorption (XAS) and in situ Raman spectroscopy to elucidate the structure‐activity relationships of low‐crystalline cobalt sulfide (L‐CoS) catalysts toward overall water splitting. The operando results for L‐CoS catalyzing the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) demonstrate that the cobalt centers in the bulk are predominantly coordinated by sulfur atoms, which undergo a kinetic structural rearrangement to generate metallic cobalt in S‐Co‐Co‐S moieties as the true catalytic active species. In comparison, during the acidic HER, L‐CoS undergoes local structural optimization of Co centers, and H2 production proceeds with adsorption/desorption of key intermediates atop the Co‐S‐Co configurations. Further operando characterizations highlight the crucial formation of high‐valent Co4+ species in L‐CoS for the alkaline oxygen evolution reaction (OER), and the formation of such active species was found to be far more facile than in crystalline Co3O4 and Co‐LDH references. These insights offer a clear picture of the complexity of active species and site formation in different media, and demonstrate how their restructuring influences the catalytic activity.
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