Lewis-Acid-Rich ZrO 2 as a High-Performance Support for Enabling Hydrogen Spillover for Enhanced Hydrogen Evolution

作者
Qihao Wang,Hongyue Diao,Yusen Chen,Weiping Xiao,Min Song,Yao Zhou,Yixing Zhou,Lei Wang,Qi Wu,Zexing Wu
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:65 (11): 6216-6224 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.6c00274
摘要

Hydrogen spillover offers a promising approach to develop highly active and affordable electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction by regulating hydrogen migration and kinetics. Herein, a catalyst composed of osmium nanoparticles supported on zirconium dioxide (Os/ZrO 2 ) is designed and synthesized. The Lewis-acid-rich ZrO 2 support not only promotes water dissociation but also triggers hydrogen spillover, thereby optimizing the desorption energetics of hydrogen intermediates. Then, Os/ZrO 2 delivers outstanding HER activity in both alkaline and acidic electrolytes, requiring overpotentials of only 16 and 14 mV to reach 10 mA cm –2, surpassing commercial Pt/C and Os/C. Mechanistic studies have confirmed the occurrence of hydrogen spillover, whereby hydrogen intermediates migrate from the Os nanoparticles to the ZrO 2 surface, effectively tuning the adsorption/desorption kinetics and leading to significantly enhanced HER performance. Furthermore, in an anion-exchange membrane electrolyzer, Os/ZrO 2 ||RuO 2 achieves a low voltage of 1.82 V at 1 A cm –2 and maintains stable operation, translating to a hydrogen production cost of $0.97 per gasoline gallon equivalent. This work presents an effective strategy for designing high-performance HER catalysts through hydrogen spillover engineering, providing a feasible route for enhanced electrocatalytic systems.
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