Identifying active surface phases for metal oxide electrocatalysts: a study of manganese oxide bi-functional catalysts for oxygen reduction and water oxidation catalysis

文献情報

出版日 2012-09-18
DOI 10.1039/C2CP40841D
インパクトファクター 3.676
著者

Hai-Yan Su, Yelena Gorlin, Isabela C. Man, Federico Calle-Vallejo, Thomas F. Jaramillo, Jan Rossmeisl


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要旨

Progress in the field of electrocatalysis is often hampered by the difficulty in identifying the active site on an electrode surface. Herein we combine theoretical analysis and electrochemical methods to identify the active surfaces in a manganese oxide bi-functional catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER). First, we electrochemically characterize the nanostructured α-Mn2O3 and find that it undergoes oxidation in two potential regions: initially, between 0.5 V and 0.8 V, a potential region relevant to the ORR and, subsequently, between 0.8 V and 1.0 V, a potential region between the ORR and the OER relevant conditions. Next, we perform density function theory (DFT) calculations to understand the changes in the MnOx surface as a function of potential and to elucidate reaction mechanisms that lead to high activities observed in the experiments. Using DFT, we construct surface Pourbaix and free energy diagrams of three different MnOx surfaces and identify 1/2 ML HO* covered Mn2O3 and O* covered MnO2, as the active surfaces for the ORR and the OER, respectively. Additionally, we find that the ORR occurs through an associative mechanism and that its overpotential is highly dependent on the stabilization of intermediates through hydrogen bonds with water molecules. We also determine that OER occurs through direct recombination mechanism and that its major source of overpotential is the scaling relationship between HOO* and HO* surface intermediates. Using a previously developed Sabatier model we show that the theoretical predictions of catalytic activities match the experimentally determined onset potentials for the ORR and the OER, both qualitatively and quantitatively. Consequently, the combination of first-principles theoretical analysis and experimental methods offers an understanding of manganese oxide oxygen electrocatalysis at the atomic level, achieving fundamental insight that can potentially be used to design and develop improved electrocatalysts for the ORR and the OER and other important reactions of technological interest.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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