Atomically Dispersed High-Valent d 0 -Metal Breaks the Activity–Stability Trade-Off in Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

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作者
Jaehyuk Shim,Kangjae Lee,Yunjae Yu,Hyeon Seok Lee,Heejong Shin,Kug‐Seung Lee,Megalamane Siddaramappa Bootharaju,Sanghwi Han,Gyu Seong Yi,Hyojoo Ko,Sihwa Lee,Jaeyune Ryu,Minho Kim,Byoung‐Hoon Lee,Taeghwan Hyeon,Yung‐Eun Sung
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (19): 16179-16188 被引量:36
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00936
摘要

Green hydrogen production via proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) faces economic feasibility challenges, primarily due to its reliance on noble metal catalysts. While cost-effective Ru-based catalysts show promise as alternatives to expensive Ir-based catalysts for an anodic oxygen evolution reaction, their long-term performance is compromised by overoxidation at high current densities. In addressing this challenge, we present a cooperative dual-site strategy for atomic-scale incorporation of high-valent d 0 -metal cations into RuO 2 . This synthesis results in uniformly distributed Ru–O–d 0 metal bonds, effectively reconciling the activity and stability trade-off. Leveraging these effects, our optimized Ta 1 /RuO 2 catalyst demonstrates exceptional performance, with a low overpotential of 164 ± 2 mV and stable operation for 1000 h at 100 mA cm –2 . In practical PEMWE systems, Ta 1 /RuO 2 achieves 1.58 V at 2 A cm –2, surpassing the 2026 Department of Energy target, and maintains remarkable stability over 650 h at 500 mA cm –2 . This breakthrough offers a highly active and durable PEMWE system suitable for industrial-scale applications.
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