pH- and Cation-Dependent Water Oxidation on Rutile RuO2(110)
pH- and Cation-Dependent Water Oxidation on Rutile RuO2(110)
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金红石 RuO2(110) 的 pH 和阳离子依赖性水氧化
DOI：
10.1021/acs.jpcc.1c00413
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Shao-Horn Yang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Rao Reshma R.;Huang Botao;Katayama Yu;Hwang Jonathan;Kawaguchi Tomoya;Lunger Jaclyn R.;Peng Jiayu;Zhang Yirui;Morinaga Asuka;Zhou Hua;You Hoydoo;Shao-Horn Yang
带电界面上的非共价相互作用是提高析氧反应 (OER) 活性的关键。在这里，我们表明，在碱性溶液中的 RuO2(110) 上，OER 活性依赖于阳离子，与 LiOH 和 NaOH 相比，0.1 M KOH 中的 OER 活性最大。使用晶体截断棒分析，在0.1 M KOH中1.5 VRHE的配位不饱和位点上检测到-O，这表明速率决定步骤是-O + OH–→ -OOH + e–，这与涉及-OOH最终去质子化的酸中的步骤不同。发现碱中界面水的有序度随着电位的增加而减少，并且与阳离子无关。使用表面增强红外光谱，发现在 OER 电势下，孤立水分子（零个氢键）的密度增加，而冰状水分子（四个氢键）的密度从 Li+ 降低到 K+。与 Na+ 和 Li+ 相比，K+ 情况下更多孤立的界面 OH- 离子的更高活性以及 K+ 水合水对 -O 中间体的稳定性较差，可以导致 KOH 的 OER 活性更高。这项工作提供了作为电位和电解质函数的界面的分子细节，并使得能够设计更活跃的电化学界面。
Noncovalent interactions at electrified interfaces are key to improving activity for the oxygen evolution reaction (OER). Here, we showed that on RuO2(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 VRHEin 0.1 M KOH, suggesting that the rate-determining step is −O + OH–→ -OOH + e–, 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+to K+at OER potentials. The higher activity of more isolated interfacial OH–ions in the case of K+and the lesser stabilization of −O intermediates by hydration water of K+compared to Na+and Li+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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