中科院上海硅酸盐所施剑林院士Nano‑Micro Lett.:原位电化学过程中生成高价态Mn的高效ORR催化剂
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随着锌空电池以及碱性燃料电池的发展,低成本非贵金属ORR催化剂(能用于碱性条件)获得了更为广泛的关注。过渡金属氧化物由于能通过改变d轨道电子数来影响电催化活性,因此是一类很有前景的催化剂。其中,MnO含量丰富,成本低廉,无毒,并且具有多种价态,因此成为了一种极富研究意义的新型高效ORR催化剂。
In Situ Electrochemical Mn(III)/Mn(IV) Generation of Mn(II)O Electrocatalysts for High‑Performance Oxygen Reduction
Han Tian, Liming Zeng, Yifan Huang, Zhonghua Ma, Ge Meng, Lingxin Peng, Chang Chen, Xiangzhi Cui*, Jianlin Shi*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:161
本文亮点
1. 合成了一种有氧空位存在的MnO材料。2. 该MnO催化剂表现出优异的ORR催化性能,并且在锌空电池中也具有高的输出功率。3. 该催化剂在催化过程中由于高价态Mn(Mn³⁺和Mn⁴⁺)的生成,ORR性能会进一步提高。内容简介
图文导读
III MnO基材料的光谱表征
图3a-b是关于MnO-T材料中O存在状态的研究,O1对应于金属-氧键,O2对应于表面氧缺陷。可以看到,随着还原温度升高,O2相对于O1的强度比逐渐增加,说明MnO-600中含有最多的氧空位。如图3c所示,当还原温度从400升高到500℃后,由于还原程度的增加,尖晶石结构被破坏,生成Mn³⁺和Mn²⁺的混合物,从而Mn 2p1/2和Mn 2p3/2峰移向更高的连接能。随着还原温度进一步升高到600℃,由于Mn³⁺的消失,两个特征峰的连接能反而会开始减小。为了研究Mn离子在电化学还原过程中的变化情况,1000圈和2000圈ORR循环后的材料通过XPS与初始材料进行对比。在图3d中,可以看到随着电化学还原过程的进行,Mn的两个特征峰对应的连接能不断增大,对应于更高价态Mn的生成,说明在ORR过程中Mn的价态升高了。图3e和图3f是电子自旋共振ESR测试,可以看到MnO-600含有最多的氧空位。图3. (a)不同MnO-T催化剂的XPS O 1s光谱;(b)不同MnO-T催化剂的O1和O2峰的含量;(c)不同MnO-T催化剂的XPS Mn 2p光谱;(d)MnO-600在测试前、1000圈ORR测试、2000圈ORR测试后的XPS Mn 2p光谱;(e)Mn₃O₄和MnO-T关于氧空位的ESR测试;(f)Mn₃O₄和MnO-T关于Mn价态的ESR测试。
IV MnO材料的ORR性能研究从图4可知,与商业Pt/C催化剂(E1/2=0.877V)相比,具有氧空位的MnO-600电催化剂具有显著提高的ORR催化活性,半波电位高达0.895 V,电子转移数接近4,并且具有优异的耐甲醇性能。
图5是将MnO-600催化剂用作锌空电池阴极时与商用Pt/C的一系列性能对比图。从图中可知,在相同的测试条件下,与商业Pt/C催化剂(47.4 mW cm⁻²)相比,该MnO-600催化剂具有63.2 mW cm⁻²的高峰值功率密度。
原文链接
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00500-7
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