Revealing the role of interfacial water and key intermediates at ruthenium surfaces in the alkaline hydrogen evolution reaction

价(化学) 离解(化学) 催化作用 拉曼光谱 化学 吸附 水的自电离 反应中间体 屏障激活 离子 光化学 反应中间体 分解水 铂金 无机化学 化学物理 物理化学 有机化学 物理 光学 光催化
作者
Xing Chen,Xiaoting Wang,Jia‐Bo Le,Shumin Li,Xue Wang,Yujin Zhang,Petar M. Radjenovic,Yu Zhang,Yaohui Wang,Xiu‐Mei Lin,Jin‐Chao Dong,Jian‐Feng Li
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:39
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41030-1
摘要

Ruthenium exhibits comparable or even better alkaline hydrogen evolution reaction activity than platinum, however, the mechanistic aspects are yet to be settled, which are elucidated by combining in situ Raman spectroscopy and theoretical calculations herein. We simultaneously capture dynamic spectral evidence of Ru surfaces, interfacial water, *H and *OH intermediates. Ru surfaces exist in different valence states in the reaction potential range, dissociating interfacial water differently and generating two distinct *H, resulting in different activities. The local cation tuning effect of hydrated Na+ ion water and the large work function of high-valence Ru(n+) surfaces promote interfacial water dissociation. Moreover, compared to low-valence Ru(0) surfaces, high-valence Ru(n+) surfaces have more moderate adsorption energies for interfacial water, *H, and *OH. They, therefore, facilitate the activity. Our findings demonstrate the regulation of valence state on interfacial water, intermediates, and finally the catalytic activity, which provide guidelines for the rational design of high-efficiency catalysts.
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