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Reimagining the eg1 Electronic State in Oxygen Evolution Catalysis: Oxidation‐State‐Modulated Superlattices as a New Type of Heterostructure for Maximizing Catalysis

材料科学 密度泛函理论 过电位 催化作用 电子结构 电子转移 氧化态 过渡金属 化学物理 未成对电子 电子组态 异质结 无机化学 金属 物理化学 离子 电子 计算化学 化学 光电子学 物理 有机化学 量子力学 生物化学 冶金 电化学 电极
作者
Ran Ding,Parisa Yasini,Haowei Peng,John P. Perdew,Eric Borguet,Michael J. Zdilla
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (41) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/aenm.202101636
摘要

Abstract The discovery of solid‐phase, inexpensive transition‐metal‐based water oxidation catalysts is a central goal for renewable energy, and has led to a general consensus that a partially populated metal e g d ‐electronic state is desirable, leading to favorable catalysis for certain elements in specific oxidation states. In manganese systems, the key species is manganese(III), whose high‐spin d 4 electronic configuration places an unpaired electron in the e g orbital, which is postulated to contribute to electronic and structural features that support catalysis. Based on density functional theory calculations, it is predicted that electron transfer would be facilitated by a catalyst with alternating low‐ and high‐Mn III ‐content sheets, which positions neighboring band edges in closer energetic proximity. The preparation of such catalysts is demonstrated for the first time and it is shown that the catalytic activity is maximized in these systems over more uniform, but more Mn III ‐rich systems. The best catalyst possesses alternating high‐and low‐average oxidation state sheets with interlayer Cs + ions, and has an overpotential of 450 mV at 10 mA, which represents an improvement of 250 mV over the best unmodified synthetic potassium birnessites. Using scanning tunneling spectroscopy, bandgap modulations consistent with the theoretically predicted band edge shifts are detected.
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