On the origin of multihole oxygen evolution in haematite photoanodes

析氧 化学吸附 密度泛函理论 化学物理 光电流 氧气 氧化剂 化学 光化学 电化学 材料科学 催化作用 物理化学 计算化学 电极 生物化学 光电子学 有机化学
作者
Giulia Righi,Julius Plescher,Franz-Philipp Schmidt,Richard Kramer Campen,Stefano Fabris,Axel Knop‐Gericke,Robert Schlögl,Travis E. Jones,Detre Teschner,Simone Piccinin
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:5 (10): 888-899 被引量:124
标识
DOI:10.1038/s41929-022-00845-9
摘要

Abstract The oxygen evolution reaction (OER) plays a crucial role in (photo)electrochemical devices that use renewable energy to produce synthetic fuels. Recent measurements on semiconducting oxides have found a power law dependence of the OER rate on surface hole density, suggesting a multihole mechanism. In this study, using transient photocurrent measurements, density functional theory simulations and microkinetic modelling, we have uncovered the origin of this behaviour in haematite. We show here that the OER rate has a third-order dependence on the surface hole density. We propose a mechanism wherein the reaction proceeds by accumulating oxidizing equivalents through a sequence of one-electron oxidations of surface hydroxy groups. The key O–O bond formation step occurs by the dissociative chemisorption of a hydroxide ion involving three oxyl sites. At variance with the case of metallic oxides, the activation energy of this step is weakly dependent on the surface hole coverage, leading to the observed power law.
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