Mechanism of Oxygen Evolution Catalyzed by Cobalt Oxyhydroxide: Cobalt Superoxide Species as a Key Intermediate and Dioxygen Release as a Rate-Determining Step

化学 析氧 催化作用 超氧化物 过渡金属 分解水 电化学 光化学 无机化学 有机化学 物理化学 电极 光催化
作者
Aliki Moysiadou,Seunghwa Lee,Chia‐Shuo Hsu,Hao Ming Chen,Xile Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (27): 11901-11914 被引量:460
标识
DOI:10.1021/jacs.0c04867
摘要

The oxygen evolution reaction (OER) is the performance-limiting half reaction of water splitting, which can be used to produce hydrogen fuel using renewable energies. Whereas a number of transition metal oxides and oxyhydroxides have been developed as promising OER catalysts in alkaline medium, the mechanisms of OER on these catalysts are not well understood. Here we combine electrochemical and in situ spectroscopic methods, particularly operando X-ray absorption and Raman spectroscopy, to study the mechanism of OER on cobalt oxyhydroxide (CoOOH), an archetypical unary OER catalyst. We find the dominating resting state of the catalyst as a Co(IV) species CoO2. Through oxygen isotope exchange experiments, we discover a cobalt superoxide species as an active intermediate in the OER. This intermediate is formed concurrently to the oxidation of CoOOH to CoO2. Combing spectroscopic and electrokinetic data, we identify the rate-determining step of the OER as the release of dioxygen from the superoxide intermediate. The work provides important experimental fingerprints and new mechanistic perspectives for OER catalysts.
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