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Cobalt-Doped Ru@RuO2 Core–Shell Heterostructure for Efficient Acidic Water Oxidation in Low-Ru-Loading Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

化学 兴奋剂 异质结 质子 无机化学 质子交换膜燃料电池 电解水 分解水 催化作用 电极 电解 物理化学 光催化 光电子学 有机化学 生物化学 物理 量子力学 电解质
作者
Jinghao Chen,Yirui Ma,Cheng Chen,Tao Huang,Ruihao Luo,Jingwen Xu,Xiaoyang Wang,Taoli Jiang,Hongxu Liu,Shuang Liu,Ting Huang,Liang Zhang,Wei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c18238
摘要

Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is a highly promising hydrogen production technology for enabling a sustainable energy supply. Herein, we synthesize a single-atom Co-doped core-shell heterostructured Ru@RuO2 (Co-Ru@RuO2) catalyst via a combination of ultrafast pulse-heating and calcination methods as an iridium (Ir)-free and durable oxygen evolution reaction (OER) catalyst in acidic conditions. Co-Ru@RuO2 exhibits a low overpotential of 203 mV and excellent stability over a 400 h durability test at 10 mA cm-2. When implemented in industrial PEMWE devices, a current density of 1 A cm-2 is achieved with only 1.58 V under an extremely low catalyst loading of 0.34 mgRu cm-2, which is decreased by 4 to 6 times as compared to other reported Ru-based catalysts. Even at 500 mA cm-2, the PEMWE device could work stably for more than 200 h. Structural characterizations and density functional theory (DFT) calculations reveal that the single-atom Co doping and the core-shell heterostructure of Ru@RuO2 modulate the electronic structure of pristine RuO2, which reduce the energy barriers of OER and improve the stability of surface Ru. This work provides a unique avenue to guide future developments on low-cost PEMWE devices for hydrogen production.
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