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Ru-Substituted MnO2 for Accelerated Water Oxidation: The Feedback of Strain-Induced and Polymorph-Dependent Structural Changes to the Catalytic Activity and Mechanism

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作者
Yongze Qin,Yu Liu,Yanzhi Zhang,Yindong Gu,Yuebin Lian,Yanhui Su,Jiapeng Hu,Xiaohui Zhao,Yang Peng,Kun Feng,Jun Zhong,Mark H. Rümmeli,Zhao Deng
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (1): 256-266 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c04759
摘要

Heteroatomic modulation of MnO2 is an effective way to introduce and tailor the catalytically active sites for electrochemical water oxidation. While great efforts have been devoted to parsing the configuration and coordination of dopants in dictating the catalytic activity, less is considered about the feedback from the structurally adapted MnO2 host to the intrinsic activity of catalytic sites. In this study, the topological effect on oxygen evolution reaction (OER) activity was systemically investigated for partially Ru-substituted MnO2 of various polymorphs. We show that MnO2 of different porosities responds differently to the Ru integration, thereby resulting in varied lattice strains and morphological changes. While the highly porous τ-MnO2 undergoes amorphization upon Ru substitution, the closely packed β-MnO2 suffers crystal splintering with drastically enhanced structural defects, which lends to a low OER overpotential of 278 mV at 10 mA cm–2 and a high turnover frequency of 2022.2 h–1 that is 19.6-fold higher than that of the commercial RuO2 benchmark. Therefore, the integration of Ru does not simply append active sites to the relatively inert metal oxides but simultaneously modifies the crystal structure of MnO2 to retroactively modulate the catalytic activity. We further show that OER on the Ru-substituted β-MnO2 follows a lattice oxygen mechanism as a result of the adapted oxide substrate. This study furnishes a fresh and systemic view on the dopant–substrate interplay for modulating the electrocatalytic activity of tunneled MnO2 structures.
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