Ru1–xMxO2 (M = Zr, Nb, Ta)의 촉매 활성 및 전기화학적 안정성: 산소 발생 반응에 대한 계산 및 실험 연구

우리는 루타일 RuO2 내에 지르코늄, 나이오븀 및 탄탈륨을 대체하는 것이 구조, 산소 발생 반응(OER) 메커니즘 및 활성도, 전기화학적 안정성에 미치는 영향을 결정하기 위해 계산 및 실험을 사용합니다. Zr, Nb, Ta에 의해 변화된 계산된 전자 구조는 전자 밀도가 감소하고 축적되는 표면 영역과 함께 대체 위치, 대체물 및 농도에 따라 달라지는 비등방성 격자 매개변수 이동을 보여줍니다. 이론과 일치하게, X선 광전자 분광법 실험은 대체물로 인한 O-2s, O-2p 및 Ru-4d 피크의 결합 에너지 이동을 보여줍니다. 실험적으로, 대체된 재료는 루타일 상 내에서 금속 대체물을 포함하는 주요 상과 더 작은 비율의 RuO2 상을 포함하는 두 개의 상의 존재를 보여주었습니다. OER 활성을 대한 우리의 실험 분석은 12.5 원자 %의 Zr, Nb 및 Ta 대체물이 RuO2에 비해 낮은 활성을 유도하며, 이는 모든 위치의 평균을 계산한 것과 일치합니다. 그러나 특정 위치에서 Zr 및 Ta 대체는 RuO2보다 더 높은 이론적 OER 활성을 산출하며, Zr 대체는 대체적인 OER 메커니즘을 제안합니다. 금속 용해 예측은 여러 표면 위치와 전해질 간의 협력적 상호작용의 개입을 보여줍니다. 특정 위치에서의 Zr 대체는 Ru 용해에 대한 활성화 장벽을 증가시키지만, Zr의 표면 용해 속도는 Ru와 비슷합니다. 실험적인 OER 안정성 분석은 상업적 RuO2에 비해 합성된 RuO2 및 Zr로 대체된 RuO2에서 낮은 Ru 용해를 보여주며, Zr로 대체된 RuO2에서 용해된 Zr 및 Ru의 양은 우리의 계산과 일치합니다.