Revealing the Critical Role of the Lone Pair Electrons of Bi3+ in Electrocatalytic Oxygen Reduction Reaction on Mn‐Based BiMn2O5 Mullite Surface

单独一对 材料科学 氧还原反应 莫来石 电催化剂 氧气 电子 氧化还原 无机化学 结晶学 纳米技术 物理化学 陶瓷 冶金 电化学 电极 核物理学 物理 量子力学 化学 分子
作者
Chunning Zhao,Huan Li,Weichao Wang,Jinchao Xu,Bin Shao,Xiang Wan,Meng Yu,Fangyi Cheng,Weichao Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202416257
摘要

Abstract There is a research gap regarding the role of lone pair electrons of post‐transition metal cations in catalysis field, yet such studies hold significant implications for expanding their applications. Herein, the role of Bi 3+ ion lone pair electrons in electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) is elucidated using ternary mullite oxides as prototype catalysts. Among the three synthesized mullites ((Sm/Y/Bi)Mn 2 O 5 ), BiMn 2 O 5 exhibits notably superior ORR catalytic activity. Through advanced characterization techniques, including in situ Raman, in situ infrared, and X‐ray absorption spectroscopy, combined with theoretical calculations, it is determined that the superior electrocatalytic performance of BiMn 2 O 5 originates from the lone pair electrons that activate catalytic sites through stereochemical effects. Specifically, the Bi 3+ lone pair electrons in the 6 s orbital near Fermi level interact with O 2 p orbitals, causing a shift of the oxygen ligands, and significant variance in A─O bond lengths. This structural distortion of BiO 8 coordination unit directly results in a large Mn─O bond angle at the active center of BiMn 2 O 5 and strong covalent interactions, facilitating charge transfer and refining the adsorption behavior of oxygen intermediates to achieve the overpotential of 0.25 V vs. RHE. This study provides insights into developing next‐generation catalysts by harnessing the lone pair electrons of post‐transition metal cations.
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