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Unravelling the effects of active site densities and energetics on the water oxidation activity of iridium oxides

化学 密度泛函理论 X射线吸收光谱法 活动站点 催化作用 结合能 光谱学 氧化还原 氧化态 反应速率 化学物理 物理化学 吸收光谱法 计算化学 无机化学 原子物理学 生物化学 物理 量子力学
作者
Caiwu Liang,Reshma R. Rao,Karine Svane,Joseph H. L. Hadden,Benjamin Moss,Søren B. Scott,Michael Sachs,James Murawski,Adrian Frandsen,D. Jason Riley,Mary P. Ryan,James R. Durrant,Jan Rossmeisl,Ifan E. L. Stephens
出处
期刊:Research Square - Research Square 被引量:4
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-2605628/v1
摘要

Abstract Understanding what controls the reaction rate on iridium-based catalysts is central to designing more active and stable electrocatalysts for the water oxidation reaction in proton exchange membrane (PEM) electrolysers. Here, we quantify the densities of redox active centres and probe their binding strengths on amorphous IrOx and rutile IrO2 using a combination of operando time-resolved optical spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy (XAS) and time of flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMs). Firstly, our results show that although IrOx exhibits an order of magnitude higher geometry current density compared to IrO2, the intrinsic rates of reaction per active state, on IrOx and IrO2 are comparable at a given potential. Secondly, we establish a quantitative experimental correlation between the intrinsic rate of water oxidation and the energetics of the active states. We use density functional theory (DFT) based models to provide a molecular scale interpretation of our data. We find that the *O species formed at water oxidation potentials have repulsive adsorbate-adsorbate interactions, and thus increasing their coverage weakens their binding and promotes the rate-determining O-O bond formation. Finally, we provide insights into how the intrinsic water oxidation kinetics can be increased by optimising both the binding energy and the interaction strength of the catalytically active states.
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