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Lewis Acid-Mediated Interfacial Water Supply for Sustainable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

化学 电解 电解水 质子交换膜燃料电池 质子 路易斯酸 无机化学 化学工程 催化作用 有机化学 电极 生物化学 物理化学 电解质 物理 工程类 量子力学
作者
Liming Deng,Hongjun Chen,Sung‐Fu Hung,Ying Zhang,Hanzhi Yu,Han‐Yi Chen,Linlin Li,Shengjie Peng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (51): 35438-35448 被引量:186
标识
DOI:10.1021/jacs.4c14529
摘要

The catalyst–electrolyte interface plays a crucial role in proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE). However, optimizing the interfacial hydrogen bonding to enhance both catalytic activity and stability remains a significant challenge. Here, a novel catalyst design strategy is proposed based on the hard–soft acid–base principle, employing hard Lewis acids (LAs = ZrO2, TiO2, HfO2) to mediate the reconfiguration of interfacial hydrogen bonding, thereby enhancing the acidic oxygen evolution reaction (OER) performance of RuO2. Mechanistic analysis indicates that LAs prompt a directional evolution from a rigid hydrogen bonding network to free water, enhancing the trapping of interfacial water on the RuO2 surface, which continuously supplies reactants to the catalytic sites. Moreover, the interconnected hydrogen bonding network facilitates rapid proton transfer, reducing local acidity on the catalyst surface and preventing structural corrosion, thus significantly improving long-term stability. The tandem pathway of water supply and deprotonation transforms the dissolution mechanism of traditional Ru-based catalysts, emphasizing the widespread applicability. Consequently, ZrO2–RuO2 displays a significantly reduced overpotential of 170 mV and exhibits high durability, sustaining 1800 h at 10 mA cm–2 under acidic OER, and maintains robust activity for 100 h at 2 A cm–2 in PEMWE, outperforming most Ru/Ir-based catalysts.
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