Overcoming the Activity-Stability Trade-Off in Electrocatalysts via Unconventional Two-Step Structural Reconstructions of Amorphous Oxides

化学 无定形固体 结构稳定性 纳米技术 有机化学 结构工程 工程类 材料科学
作者
Guichen Gao,Guangshe Li,Taotao Huang,Jiawei Wan,Zhibin Geng,Haitong Tang,Xu Zhao,Shilong Fu,Luyi Sun,Jiang Li,Liping Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (33): 29767-29778 被引量:27
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04970
摘要

The activation of lattice oxygen in oxide catalysts via structural reconstruction is critical for optimizing the catalytic performance in oxidation–reduction systems. However, in electrochemical O 2 evolution, the structural transformations preceding electrochemical reconstruction and their impact on the resulting structural inhomogeneity have long remained insufficiently understood. Here, we activate the lattice oxygen of the W-doped Co–Fe amorphous oxide through spontaneous and electrochemical bulk reconstructions. Chemical state evolution studies reveal that the reconstructed active γ-layered double hydroxide (LDH), characterized by local structural inhomogeneity, promotes the formation of reactive nonbonding oxygen states, achieving Co 3+ -catalyzed O 2 evolution. The catalyst demonstrates a cell voltage of 1.69 V at 1 A cm –2 with stable operation for 600 h in anion-exchange membrane water electrolyzers. Using in situ spectroscopic techniques, we establish dynamic correlations among Co ion oxidation states, phase structure, and lattice oxygen activation during reconstruction. Notably, we provide the first experimental evidence of a potential-dependent mechanistic transition governing both the activity and the stability of the catalyst. These findings deepen our understanding of structure-performance relationships in electrocatalysts and highlight the pivotal role of the chemical state evolution in catalytic processes.
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