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南洋理工Small：具有多个析氧活性位点的高效三元锰基尖晶石氧化物

时间：2022-12-05 来源： 浏览：

南洋理工Small：具有多个析氧活性位点的高效三元锰基尖晶石氧化物

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考虑到当今的全球能源和环境问题，有必要构建可持续的清洁能源体系。阳光是迄今为止最丰富的来源。然而阳光的间歇性仍然是一个挑战，如何在太阳不再照耀的时候有效地收集和储存太阳能是个重要的问题。
通过电催化将水分解为氧气和氢气，可以将间歇性的太阳能储存为取之不尽的环保燃料，无论电解水装置是否由阳光驱动，电解水的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）都需要高效的催化剂。
然而由于OER的动力学缓慢，需要高的过电位值来驱动反应，迫切需要一种高效、稳定且具有优异OER性能的电催化剂。
基于此， 南洋理工大学Lydia Helena  Wong 等人使用高通量方法表明锰基尖晶石氧化物Fe 10 Co 40 Mn 50 O具有优异的催化活性。
值得注意的是，二元Co 50 Mn 50 O比单一的Co-，Mn-氧化物更有活性，表明Co和Mn元素有助于OER催化活性，锰基催化剂 Co 50 Mn 50 O和Fe 10 Co 40 Mn 50 O也的确表现出优异的OER性能。此外，还研究了Fe对Fe x Co 50-x Mn 50 O催化活性的影响。
在Fe含量为10%时，催化活性最高，在10 mA cm -2 时的最低OER过电位为310 mV。
研究认为Fe 10 Co 40 Mn 50 O（即10%Fe）比Co 50 Mn 50 O（即0%Fe）更有活性是因为Fe离子有利于让更多的Co 2+ 占据四面体位置。
随着更多的Fe取代Co位（即在Fe位点为20、30、40和50%），可用于催化反应的Co减少，从而降低了整体的催化活性。
根据实验结果可以看出，当Fe完全取代Co（Fe 50 Mn 50 O）时，可以观察到最低的催化活性和最高的过电位值，这一结果揭示了Co作为活性位点的重要性，而少量Fe离子的加入促进了活性。
为了了解尖晶石Co 50 Mn 50 O和Fe 10 Co 40 Mn 50 O氧化物具有优异OER催化活性的原因，研究了Fe、Co和Mn的电子结构和局部配位环境，SXAS结果表明，OER的高催化活性归因于活性位点Co 2+ 和Mn 3+ 离子分别位于四面体和八面体位点。
更重要的是，Fe 3+ 的加入通过在四面体位置诱导更多的Co 2+ 并进一步调节Co离子的电子结构以获得更好的OER，从而显著提高了催化活性。
电化学阻抗测试进一步揭示了Co 2+ 和Mn 3+ 在OER催化过程中的独特作用。Co和Fe通过O的强相互作用引起了活性氧层的形成，这有助于高催化活性。
此外催化剂反应后的结构和表面表征表明，Fe 10 Co 40 Mn 50 O表面结构的微弱改变显示了其对催化表面不可逆反应的稳定性。
这项工作证明了一种高通量方法用于快速筛选和优化具有多个活性位点的新型高效OER催化剂，对催化剂设计的提供了更深入理解。本文的策略可能扩展到其他与氧相关的应用，如可充电金属-空气电池等。
Efficient Ternary Mn-Based Spinel Oxide with Multiple Active Sites for Oxygen Evolution Reaction Discovered via High-Throughput Screening Methods, Small, 2022, DOI：10.1002/smll.202204520.
https://doi.org/10.1002/smll.202204520.
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