Surface hydroxide accelerates acidic hydrogen oxidation kinetics

动力学 氢氧化物 化学 无机化学 化学工程 有机化学 量子力学 物理 工程类
作者
Zhongbin Zhuang,Yanrong Xue,Jinjie Fang,Yu Mao,Xingdong Wang,Xuerui Liu,Ying‐Rui Lu,Jiajing Pei,Jiazhan Li,Wei Zhu,Ziyun Wang
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-6674045/v1
摘要

Abstract Mechanistic understanding of hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics is crucial for developing high-performance fuel cell anode catalysts. Adsorbed hydroxide (OHad) significantly impacts HOR kinetics in alkaline conditions by directly participating as a reactant, but its impact in acidic conditions is overlooked due to its instability on metal surfaces and inability to be replenished. Here, we demonstrate that OHad can be stably anchored on Ru, Pd, and Rh surfaces in the HOR potential region through pre-electrooxidation treatment, significantly promoting their acidic HOR kinetics. In-situ spectroscopies and ab initio molecular dynamics simulation verify that OHad persists on pre-oxidized metal surfaces and alters the water orientation from ‘H-down’ to ‘O-down’ within the electric double layer. This change shortens the distance between adsorbed hydrogen (Had) and interfacial water and promotes the formation of the interfacial hydrogen-bond network, thereby weakening the apparent hydrogen binding energy and reducing Had desorption energy barriers from the catalyst surface to bulk electrolyte, enhancing acidic HOR kinetics. Inspired by the fundamental understandings, a Ru-RuOx(OH)y catalyst is synthesized, achieving a 41-fold enhancement in HOR mass activity compared with Ru/C. The Ru-RuOx(OH)y illustrates comparable performance to Pt in practical proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) applications and superior voltage reversal tolerance during start-up/shut-down processes, enabling the development of a totally Pt-free PEMFC.
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