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 化学 催化作用 杂原子 氧化钌 电解水 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:26
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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