Manganese Valence Modulation in δ-MnO2 via F-doping for Enhanced Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction

电负性 过电位 析氧 材料科学 催化作用 无机化学 电解 兴奋剂 化学工程 电极 物理化学 电化学 化学 电解质 冶金 有机化学 光电子学 工程类
作者
Xinyu Shi,Libo Deng,Lingna Sun,Qianling Zhang,Xiangzhong Ren,Yongliang Li
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1361-6528/adb6a8
摘要

Abstract Manganese dioxide (MnO2) is recognized as a promising candidate for the oxygen evolution reaction (OER); however, its practical application is hindered by limited active sites and low electrical conductivity. Fluorine (F), known for its strong electron affinity and electronegativity, can modulate the surface electronic structure and physicochemical properties of catalysts. In this study, we synthesized MnO2 nanosheets and fluorine-doped MnO2 (F-MnO2) using simple hydrothermal and ion-exchange methods. We then assessed the influence of fluorine doping on the intrinsic OER activity and stability of these catalysts, as well as their underlying catalytic mechanisms. By manipulating the amount of fluorine introduced and the fluorination temperature, we explored the relationship between varying fluorine concentrations and OER performance. The experimental results show that F-MnO2 exhibits higher OER activity than pristine MnO2. At a current density of 10 mA cm⁻², the overpotential required for F-MnO2 is merely 320 mV, substantially lower than that of pristine MnO2. This enhanced performance is ascribed to fluorine doping, which leads to an increased quantity of active Mn³⁺ centers and oxygen vacancies (Vo), along with an expanded electrochemically active surface area. Furthermore, F-MnO2 displays improved stability during the testing period. It maintains long-term stability for over 25 hours, further corroborating the catalyst's excellent anti-oxidation and anti-corrosion properties in alkaline water electrolysis.

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