電極触媒：酸素生成電極触媒の相関的オペランド顕微鏡観察

遷移金属のオキシ水酸化物は、酸素生成反応用の有望な電極触媒である。こうした材料の特性は、イオン挿入酸化還元反応を通して印加電圧とともに動的かつ不均一に変化し、開回路条件下で不活性な材料を動作時に活性な電極触媒へと変換させる。そのため、この触媒状態は本質的に平衡からかけ離れており、これが直接観察を困難にしている。今回我々は、一連の相関的オペランド走査型プローブおよびX線顕微鏡技術を用いて、単結晶β-Co(OH)₂小板状粒子の酸素生成活性と、動作時の化学的・物理的・電子的な局所ナノスケール構造の関係を立証する。プレ触媒電圧では、これらの粒子が膨張し、コバルトの酸化状態が+2.5のα-CoO₂H_1.5·0.5H₂O様の構造を、水酸化物のインターカレーションを通して形成する。電圧を上昇させて酸素生成を駆動すると、層間の水とプロトンがデインターカレートして、収縮したβ-CoOOH粒子（Co³⁺種を含む）を形成する。こうした変換は、バルク粒子を通して不均一に生じるが、電気化学的電流は主にそのエッジファセットに制限される。観察されたターフェル挙動は、こうした反応性エッジ部位におけるCo³⁺の局所濃度と相関しており、これは、バルクのイオン挿入と表面触媒活性の関連を実証している。

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