Increasing Iridium Oxide Activity for the Oxygen Evolution Reaction with Hafnium Modification

化学 电催化剂 析氧 过电位 氧化物 分解水 电化学能量转换 化学工程 无机化学 电化学 催化作用 有机化学 物理化学 电极 光催化 工程类
作者
Zhao Fang,Bo Wen,Wenhan Niu,Chen Zhu,Chao Yan,Annabella Selloni,Christopher Tully,Xiaofang Yang,Bruce E. Koel
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (38): 15616-15623 被引量:94
标识
DOI:10.1021/jacs.1c03473
摘要

Synthesis and implementation of highly active, stable, and affordable electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) is a major challenge in developing energy efficient and economically viable energy conversion devices such as electrolyzers, rechargeable metal-air batteries, and regenerative fuel cells. The current benchmark electrocatalyst for OER is based on iridium oxide (IrOx) due to its superior performance and excellent stability. However, large scale applications using IrOx are impractical due to its low abundance and high cost. Herein, we report a highly active hafnium-modified iridium oxide (IrHfxOy) electrocatalyst for OER. The IrHfxOy electrocatalyst demonstrated ten times higher activity in alkaline conditions (pH = 11) and four times higher activity in acid conditions (pH = 1) than a IrOx electrocatalyst. The highest intrinsic mass activity of the IrHfxOy catalyst in acid conditions was calculated as 6950 A gIrOx–1 at an overpotential (η) of 0.3 V. Combined studies utilizing operando surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and DFT calculations revealed that the active sites for OER are the Ir–O species for both IrOx and IrHfxOy catalysts. The presence of Hf sites leads to more negative charge states on nearby O sites, shortening of the bond lengths of Ir–O, and lowers free energies for OER intermediates that accelerate the OER process.
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