Electric-field-assisted proton coupling enhanced oxygen evolution reaction

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作者
Xuelei Pan,Mengyu Yan,Qian Liu,Xunbiao Zhou,Xiaobin Liao,Congli Sun,Jiexin Zhu,Callum D. McAleese,Pierre Couture,Matthew K. Sharpe,R. W. Smith,Nianhua Peng,Jonathan England,Shik Chi Edman Tsang,Yunlong Zhao,Liqiang Mai
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47568-y
摘要

Abstract The discovery of Mn-Ca complex in photosystem II stimulates research of manganese-based catalysts for oxygen evolution reaction (OER). However, conventional chemical strategies face challenges in regulating the four electron-proton processes of OER. Herein, we investigate alpha-manganese dioxide (α-MnO 2 ) with typical Mn IV -O-Mn III -H x O motifs as a model for adjusting proton coupling. We reveal that pre-equilibrium proton-coupled redox transition provides an adjustable energy profile for OER, paving the way for in-situ enhancing proton coupling through a new “reagent”— external electric field. Based on the α-MnO 2 single-nanowire device, gate voltage induces a 4-fold increase in OER current density at 1.7 V versus reversible hydrogen electrode. Moreover, the proof-of-principle external electric field-assisted flow cell for water splitting demonstrates a 34% increase in current density and a 44.7 mW/cm² increase in net output power. These findings indicate an in-depth understanding of the role of proton-incorporated redox transition and develop practical approach for high-efficiency electrocatalysis.
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