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Active Site Revealed for Water Oxidation on Electrochemically Induced δ-MnO2: Role of Spinel-to-Layer Phase Transition

化学 过电位 尖晶石 析氧 空位缺陷 溶解 相(物质) 电解质 相变 催化作用 结晶学 分解水 电化学 化学物理 无机化学 物理化学 电极 热力学 材料科学 有机化学 冶金 物理 光催化
作者
Yefei Li,Zhi‐Pan Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (5): 1783-1792 被引量:105
标识
DOI:10.1021/jacs.7b11393
摘要

Seeking for active MnOx material as artificial water splitting catalyst has been a long history since the discovery of PSII system in nature. To date, the highest activity MnOx catalyst reported for oxygen evolution reaction (OER) does however not belong to common MnO2 polymorphs (α-, β-, δ-MnO2), but rather to nascent δ-MnO2 layer produced in situ from spinel under electrochemical conditions with unknown active site structure. Here with the stochastic surface walking (SSW) pathway sampling method, we for the first time resolve the atomic-level mechanism of spinel-to-layer Mn3O4 solid phase transition in aqueous electrolyte. We show that a transient H0.5MnO2 phase is the precursor of transition that forms at high voltage (>1 V), and it undergoes the solid-to-solid phase transition to produce a δ-MnO2 layer, which is accompanied by Mn dissolution, dislocation, layer-breaking, and insertion of water/cations between layers. This leads to the generation of a variety of possible defective structures. We demonstrate using first-principles calculations that a special edge site with neighboring Mn vacancy provides the best OER activity with an overpotential of 0.59 V, 0.19 V lower than that of pristine MnO2. The high activity of such Mn sites are attributed to its special local structure: pseudocubane with one corner missing. The presence of the Mn vacancy near the active site enhances the adsorption of OH intermediate in OER. This defective cubane structure shares the common geometrical and electronic features found in the PSII system.
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