Boosting ORR Activity via Bidirectional Regulation of the Electronic Structure by Coupling MnO/Mn3O4 Composite Materials with N-Doped Carbon

催化作用 材料科学 氧化物 电子转移 复合数 化学工程 碳纤维 吸附 活性炭 兴奋剂 纳米颗粒 协同催化 无机化学 纳米技术 化学 复合材料 光化学 物理化学 冶金 有机化学 工程类 光电子学
作者
Xiaowei Zhao,Mingwang Lu,Guanhua Zhang,Yuekun Hu,Yan Liu,Xiaojing Yang,Xiaofei Yu,Xinghua Zhang,Zunming Lu,Lanlan Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (22): 8425-8435 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c01336
摘要

Suffering from poor conductivity and limited activity, manganese oxide was combined with carbon materials to promote electrocatalytic performance. Although the positive effects of the carbon composition strategy in performance promotion have been confirmed, the underlying mechanism involved remains unclear, which hinders the development of manganese oxide catalysts. Here, N-doped carbon (NC) shell-encapsulated MnO/Mn3O4 composite nanoparticles grown on NC nanorods were designed to catalyze the oxygen reduction reaction. The resulting MnO/Mn3O4@NC has excellent activity (E1/2 = 0.853 V) and extraordinary durability, comparable to Pt/C. The MnO/Mn3O4 composite achieved an optimal eg occupancy of Mn3+. The NC shell formed in situ offers the electron transfer from MnO/Mn3O4 to the NC and results in bidirectional regulation of the electronic structure, forming electron-accumulated NC and Mn3+-rich manganese oxide systems. Electron accumulation on NC enhances the affinity for O2 adsorption, thereby significantly reducing the free-energy barrier for the ORR process. Furthermore, the NC shell formed in situ improves the electric conductivity and cycle durability of catalysts significantly. This paper fundamentally reveals the crucial role of the coupling effect between MnO/Mn3O4 and NC formed in situ in promoting catalysis and provides an efficient strategy for designing other metal oxide electrocatalysts.
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