稀土单原子增强氧化锰的电化学析氧

一个国际研究小组开发了一种提高析氧反应（OER）效率的新方法，OER是可再生能源技术中的一个关键过程。通过在氧化锰（MnO2）中引入稀土单原子，该团队成功地调节了氧电子态，从而使OER性能得到了前所未有的改善

他们的发现发表在《纳米能源》杂志上。

过渡金属基氧化物作为活性OER催化剂的潜力已被广泛探索。然而，这些催化剂的容量受到吸附物释放机制的阻碍，这限制了反应过程中氧气（O2）的有效释放

“我们在MnO2上构建了局部不对称的钆-氧-锰单元，这有助于在氧位点积累电子，”该论文的通讯作者、东北大学先进材料研究所（WPI-AIMR）的副教授郝丽指出

“通过这样做，催化剂实现了较低的过电位，并随着时间的推移保持稳定性，使其成为传统催化剂如二氧化钌（RuO2）的合适替代品。”

李浩和他的同事们采用了氩等离子体辅助策略，在催化剂表面引入稀土元素。在这种策略中，氩气被电离，激发并帮助将氩原子分解为离子和电子，从而使其更容易与材料相互作用和改性

（a）MnO₂板坯模型和（b）具有[Gd−O−Mn]单元位置的Gd-MnO₂薄板坯模型的PDOS图。（c） -（d）具有Kohn-Sham轨道布居的Gd-MnO₂的VBM和CBM图（等表面0.002e/ų）。（e） [Gd−O−Mn]单位（等表面1.5e/ų）中O₂c和Mn₂c位点的预计MLWF图。（f） OER催化中（O-O）二聚体形成的机制，显示了块状MnO₂、板状MnO 832模型和Gd-MnO 832板状模型（等表面0.7e/ų）的ELF图。粉红色、绿色、红色和白色球体分别表示Mn、Gd、O和H。来源：Hao Li等人。表面Pourbaix图：（a）具有Mn₂c-Oçc链的MnO₂切片的H覆盖率，（b）具有Mn 832和O₂c位点的MnO 022板坯的氧物种覆盖率。（c） 二维表面Pourbaix图显示了URHE与pH的关系。（d）MnO₂和Gd-MnO₂与各种氧中间体的几何结构。（e） 1.23 V下MnO和Gd-MnO的OER自由能图。粉红色、绿色、红色和白色球体分别表示Mn、Gd、O和H。来源：Hao Li等人

“我们已经解决了与限制MnO2等过渡金属基氧化物性能的吸附物演化机制相关的挑战，”该研究的合著者、WPI-AIMR特聘助理教授Di Zhang补充道

“通过提高对晶格氧机制下结构-活性关系的理解，该研究为更有效的催化剂设计提供了基础。”

在这项研究成功的基础上，该小组计划将他们的方法扩展到各种电化学反应。这种方法将有助于进一步破译独特的结构-活性相关性，最终有助于设计更有效、更高性能的电催化剂 More information: Meng Li et al, Atomic rare earths activate direct O-O coupling in manganese oxide towards electrocatalytic oxygen evolution, Nano Energy (2024). DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109868

Journal information: Nano Energy