pH- and Cation-Dependent Water Oxidation on Rutile RuO2(110)

化学 析氧 脱质子化 电化学 电解质 分子 金红石 基础(拓扑) 离子 无机化学 分解水 催化作用 物理化学 电极 光催化 有机化学 数学分析 数学
作者
Reshma R. Rao,Botao Huang,Yu Katayama,Jonathan Hwang,Tomoya Kawaguchi,Jaclyn R. Lunger,Jiayu Peng,Yirui Zhang,Asuka Morinaga,Hua Zhou,Hoydoo You,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (15): 8195-8207 被引量:117
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c00413
摘要

Noncovalent interactions at electrified interfaces are key to improving activity for the oxygen evolution reaction (OER). Here, we showed that on RuO<sub>2</sub>(110) in alkaline solutions, OER activity is cation-dependent, being largest in 0.1 M KOH compared to LiOH and NaOH. Using crystal truncation rod analysis, -O is detected on the coordinatively unsaturated site at 1.5 V-RHE in 0.1 M KOH, suggesting that the rate-determining step is -O + OH<sup>-</sup> → -OOH + e<sup>-</sup>, which is different from that in acid involving the final deprotonation of -OOH. The ordering of interfacial water in base was found to decrease with increasing potential and independent of cations. Using surface-enhanced infrared spectroscopy, the density of isolated water molecules (zero H-bonds) was found to increase, and the density of icelike water molecules (four H-bonds) decreases from Li<sup>+</sup> to K<sup>+</sup> at OER potentials. The higher activity of more isolated interfacial OH<sup>-</sup> ions in the case of K<sup>+</sup> and the lesser stabilization of -O intermediates by hydration water of K<sup>+</sup> compared to Na<sup>+</sup> and Li<sup>+</sup> can result in higher OER activity for KOH. This work provides molecular details of the interface as a function of potential and electrolyte and enables the design of more active electrochemical interfaces.
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