Objective evaluation of the activity of electrocatalysts for water oxidation is of fundamental importance for the development of promising energy conversion technologies including integrated solar water-splitting devices, water electrolyzers, and Li-air batteries. However, current methods employed to evaluate oxygen-evolving catalysts are not standardized, making it difficult to compare the activity and stability of these materials. We report a protocol for evaluating the activity, stability, and Faradaic efficiency of electrodeposited oxygen-evolving electrocatalysts. In particular, we focus on methods for determining electrochemically active surface area and measuring electrocatalytic activity and stability under conditions relevant to an integrated solar water-splitting device. Our primary figure of merit is the overpotential required to achieve a current density of 10 mA cm(-2) per geometric area, approximately the current density expected for a 10% efficient solar-to-fuels conversion device. Utilizing the aforementioned surface area measurements, one can determine electrocatalyst turnover frequencies. The reported protocol was used to examine the oxygen-evolution activity of the following systems in acidic and alkaline solutions: CoO(x), CoPi, CoFeO(x), NiO(x), NiCeO(x), NiCoO(x), NiCuO(x), NiFeO(x), and NiLaO(x). The oxygen-evolving activity of an electrodeposited IrO(x) catalyst was also investigated for comparison. Two general observations are made from comparing the catalytic performance of the OER catalysts investigated: (1) in alkaline solution, every non-noble metal system achieved 10 mA cm(-2) current densities at similar operating overpotentials between 0.35 and 0.43 V, and (2) every system but IrO(x) was unstable under oxidative conditions in acidic solutions.

Objective comparisons of electrocatalyst activity and stability using standard methods under identical conditions are necessary to evaluate the viability of existing electrocatalysts for integration into solar-fuel devices as well as to help inform the development of new catalytic systems. Herein, we use a standard protocol as a primary screen for evaluating the activity, short-term (2 h) stability, and electrochemically active surface area (ECSA) of 18 electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) and 26 electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) under conditions relevant to an integrated solar water-splitting device in aqueous acidic or alkaline solution. Our primary figure of merit is the overpotential necessary to achieve a magnitude current density of 10 mA cm(-2) per geometric area, the approximate current density expected for a 10% efficient solar-to-fuels conversion device under 1 sun illumination. The specific activity per ECSA of each material is also reported. Among HER catalysts, several could operate at 10 mA cm(-2) with overpotentials <0.1 V in acidic and/or alkaline solutions. Among OER catalysts in acidic solution, no non-noble metal based materials showed promising activity and stability, whereas in alkaline solution many OER catalysts performed with similar activity achieving 10 mA cm(-2) current densities at overpotentials of ~0.33-0.5 V. Most OER catalysts showed comparable or better specific activity per ECSA when compared to Ir and Ru catalysts in alkaline solutions, while most HER catalysts showed much lower specific activity than Pt in both acidic and alkaline solutions. For select catalysts, additional secondary screening measurements were conducted including Faradaic efficiency and extended stability measurements.

16 crystalline metal oxide nanoparticulate systems are adhered to an electrode surface using a conventional drop-casting method and measured for their activity for the oxygen evolution reaction.

A series of water-soluble molecular cobalt complexes of tetraazamacrocyclic ligands are reported for the electrocatalytic production of H(2) from pH 2.2 aqueous solutions. The comparative data reported for this family of complexes shed light on their relative efficiencies for hydrogen evolution in water. Rotating disk electrode voltammetry data are presented for each of the complexes discussed, as are data concerning their respective pH-dependent electrocatalytic activity. In particular, two diimine-dioxime complexes were identified as exhibiting catalytic onset at comparatively low overpotentials relative to other reported homogeneous cobalt and nickel electrocatalysts in aqueous solution. These complexes are stable at pH 2.2 and produce hydrogen with high Faradaic efficiency in bulk electrolysis experiments over time intervals ranging from 2 to 24 h.

Abstract The selective and efficient electrochemical reduction of CO 2 to single products is crucial for solar fuels development. Encapsulating molecular catalysts such as cobalt phthalocyanine within coordination polymers such as poly-4-vinylpyridine leads to dramatically increased activity and selectivity for CO 2 reduction. In this study, we use a combination of kinetic isotope effect and proton inventory studies to explain the observed increase in activity and selectivity upon polymer encapsulation. We provide evidence that axial-coordination from the pyridyl moieties in poly-4-vinylpyridine to the cobalt phthalocyanine complex changes the rate-determining step in the CO 2 reduction mechanism accounting for the increased activity in the catalyst-polymer composite. Moreover, we show that proton delivery to cobalt centers within the polymer is controlled by a proton relay mechanism that inhibits competitive hydrogen evolution. These mechanistic findings provide design strategies for selective CO 2 reduction electrocatalysts and serve as a model for understanding the catalytic mechanism of related heterogeneous systems.

Cobalt phthalocyanine (CoPc) is a known electrocatalyst for the carbon dioxide reduction reaction (CO2RR) that, when adsorbed onto edge-plane graphite (EPG) electrodes, shows modest activity and selectivity for CO production along with co-generation of H2. In contrast, electrodes modified with CoPc immobilized in a poly-4-vinylpridine (P4VP) film show dramatically enhanced activity and selectivity compared to those modified with CoPc alone. CoPc-P4VP films display a faradaic efficiency of ∼90% for CO, with a turnover frequency of 4.8 s-1 at just -0.75 V vs. RHE. Two properties of P4VP contribute to enhancing the activity of CoPc: (1) the ability of individual pyridine residues to coordinate to CoPc and (2) the high concentration of uncoordinated pyridine residues throughout the film which may enhance the catalytic activity of CoPc through secondary and other outer coordination sphere effects. Electrodes modified with polymer-free, five-coordinate CoPc(py) films (py = pyridine) and with CoPc catalysts immobilized in non-coordinating poly-2-vinylpyridine films were prepared to independently investigate the role that each property plays in enhancing CO2RR performance of CoPc-P4VP. These studies show that a synergistic relationship between the primary and outer coordination sphere effects is responsible for the enhanced catalytic activity of CoPc when embedded in the P4VP membrane.