【写作竞赛】双功能氧还原-氧析出(ORR–OER)催化剂——氧空穴MnO2

氧催化在储能及能量转换领域扮演重要角色(如金属-空气电池,燃料电池),然而作为阴极反应的氧还原往往需要Pt基贵金属催化剂,高成本以及Pt资源的稀缺使得发展非贵金属氧还原催化剂势在必行。

在众多非贵金属氧还原催化剂中,锰的氧化物以其储量大、低成本、无污染、高活性而引起人们的广泛关注。尤其重要的是,氧化锰能够催化氧析出,这使得可充电金属-空气电池成为可能。现行研究中通过掺杂阳离子,包覆金属以及复合导电纳米结构来提高锰氧化物的催化活性。尽管这些途径行之有效,其高成本和复杂的流程使得发展经济有效的方法称为研究者关注的热点。

图1、a)含氧空穴金红石型MnO2结构图;b)不同氧化物的X射线晶体衍射图(XRD);c,d)原始β-MnO2以及Ar中热处理后的β- MnO2高分辨透射电镜图(HRTEM)。

本研究在不添加其他元素物质情况下,通过引入氧缺陷来提高MnO2催化活性,用于水溶液条件下氧催化反应(ORR)。本工作结合密度泛函(DFT)理论计算及实验验证详细研究了氧的非化学计量比对碱性条件下氧还原的影响。研究发现一定浓度的氧空穴使得MnO2催化活性达到最高,与传统MnO2修饰方法(如Ni掺杂)相比,本研究采用的热处理方法使得MnO2在电流密度、电位以及电子转移数等各项指标中都有显著提高。此外,与原始的氧化物相比,含氧空穴的MnO2对于氧析出(OER)反应也表现出较好的活性。

本研究通过在氩气(Ar)或空气中加热MnO2的简单处理而引入氧空穴,使得氧还原反应各项指标(电流、电势、过氧化氢产率等)显著提高,并对氧析出(OER)反应表现出高效催化活性。这一发现使得发展低成本、储量足的双功能含锰氧化物氧还原催化剂成为可能,让人们对氧的非化学计量比在氧电催化中的重要性有更深层次的认识。

选材出处:Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201208582