Unravel the mechanism of d-orbital modulation and oxygen vacancy in cerium-doped RuO2 catalysts for acidic oxygen evolution reaction

过电位 析氧 钌 化学 催化作用 杂原子 氧化钌 电解水 铈 电子转移 掺杂剂 无机化学 电化学 光化学 兴奋剂 材料科学 电解 物理化学 电极 戒指(化学) 生物化学 光电子学 有机化学 电解质
作者
Jirong Bai,Lei Cheng,Shuxin Liu,Hanyu Zhang,Yuebin Lian,Yaoyao Deng,Quanfa Zhou,Yawen Tang,Yaqiong Su
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:642: 158613-158613 被引量:75
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2023.158613
摘要

Ruthenium (Ru) and its compounds with abundant d-orbital electrons are considered as potential candidates to replace commercial iridium-based catalysts for proton exchange membrane water electrolysis. However, the low corrosion resistance of ruthenium oxide in acidic conditions seriously hinders their large-scale application. Heteroatom doping can modulate the local bonding environment and electronic structure, and becomes a practical means to promote RuO2 in acid oxygen evolution reaction (OER). Here, we report Ce dopants in high-performance and durable Ce-RuO2 catalysts during acidic OER. Significantly, the Ce-RuO2 had high OER activity with a small overpotential of 191 mV (10 mA·cm−2), which was better compared with RuO2 (229 mV) and commercial RuO2 (351 mV). Theoretical analysis showed Ce in Ce-RuO2 had a lower peak at the Fermi level, indicating the adsorption capacity of oxygen-containing species is weaker than that of Ru. The introduction of Ce significantly impacts the d orbital, causing a positive shift in the d band of Ru, and raises the peak of Ru to the Fermi level, which promotes electron transfer. Furthermore, the rate-determining step for OER on the RuO2 (1 1 0) surface is the conversion of O to OOH, and the lower reaction energy of Ce-RuO2 than that of RuO2 (0.31 vs. 0.77 eV) demonstrates the thermodynamic advantage of Ce-doped RuO2 over pristine RuO2.
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