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

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作者
Jinghao Chen,Yirui Ma,Cheng Chen,Tao Huang,Tao Huang,Ruihao Luo,Jingwen Xu,Xiaoyang Wang,Taoli Jiang,Hongxu Liu,Shuang Liu,Ting Huang,Ting Huang,Liang Zhang,Wei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (10): 8720-8731 被引量:144
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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