Cr dopant mediates hydroxyl spillover on RuO2 for high-efficiency proton exchange membrane electrolysis

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作者
Yu Shen,Xiaolong Zhang,Ming‐Rong Qu,Jie Ma,Sheng Zhu,Yulin Min,Min‐Rui Gao,Shu‐Hong Yu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 7861-7861 被引量:151
标识
DOI:10.1038/s41467-024-51871-z
摘要

Simultaneously improving the activity and stability of catalysts for anodic oxygen evolution reaction (OER) in proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) remains a notable challenge. Here, we report a chromium-doped ruthenium dioxide with oxygen vacancies, termed Cr0.2Ru0.8O2-x, that drives OER with an overpotential of 170 mV at 10 mA cm−2 and operates stably over 2000 h in acidic media. Experimental and theoretical studies show that the synergy of Cr dopant and oxygen vacancy induces an unconventional dopant-mediated hydroxyl spillover mechanism. Such dynamic hydroxyl spillover from Cr dopant to Ru active site changes the rate-determining step from OOH* formation to O2 formation and thus greatly improves the OER performance. Moreover, the Cr dopant and oxygen vacancy also play a crucial role in stabilizing surface Ru and lattice oxygen in the Ru-O-Cr structural motif. When assembled into the anode of a practical PEMWE device, Cr0.2Ru0.8O2-x enables long-term durability of over 200 h at an ampere-level current density and 60 degrees centigrade. Developing highly active and stable anode catalysts for green hydrogen production is crucial but challenging. Here, the authors report a Cr0.2Ru0.8O2-x catalyst with an unconventional dopant-mediated hydroxyl spillover mechanism for high-efficiency proton exchange membrane water electrolysis.
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