Activating lattice oxygen redox reactions in metal oxides to catalyse oxygen evolution

化学 析氧 氧化还原 氧气 电子转移 催化作用 无机化学 光化学 化学物理 金属 同位素标记 电化学 物理化学 电极 有机化学
作者
Alexis Grimaud,Oscar Díaz‐Morales,Binghong Han,Wesley T. Hong,Yueh‐Lin Lee,Livia Giordano,Kelsey A. Stoerzinger,Marc T. M. Koper,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:9 (5): 457-465 被引量:1818
标识
DOI:10.1038/nchem.2695
摘要

Understanding how materials that catalyse the oxygen evolution reaction (OER) function is essential for the development of efficient energy-storage technologies. The traditional understanding of the OER mechanism on metal oxides involves four concerted proton–electron transfer steps on metal-ion centres at their surface and product oxygen molecules derived from water. Here, using in situ18O isotope labelling mass spectrometry, we provide direct experimental evidence that the O2 generated during the OER on some highly active oxides can come from lattice oxygen. The oxides capable of lattice-oxygen oxidation also exhibit pH-dependent OER activity on the reversible hydrogen electrode scale, indicating non-concerted proton–electron transfers in the OER mechanism. Based on our experimental data and density functional theory calculations, we discuss mechanisms that are fundamentally different from the conventional scheme and show that increasing the covalency of metal–oxygen bonds is critical to trigger lattice-oxygen oxidation and enable non-concerted proton–electron transfers during OER. Understanding how oxygen-evolution reaction (OER) catalysts work is important for the development of efficient energy storage technologies. It has now been shown that lattice oxygen participates in O2 generation during the OER on some highly active metal oxides and that this behaviour becomes more prevalent with greater metal–oxygen covalency.
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