Octahedral and tetrahedral site substitution in spinel Mn3O4 regulates oxygen evolution in acid

尖晶石 析氧 过电位 催化作用 氧气 八面体 无机化学 分解水 电催化剂 质子交换膜燃料电池 材料科学 化学 氧化物 电化学 氧化锰 阳极 结晶学 氧化钌
作者
Haoqiang Song,Mingjun Nie,Jingkun Yu,Guoli Zhou,Zhiyong Tang,Siyu Lu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-76439-x
摘要

Designing cost-effective and acid-stable electrocatalysts for the oxygen evolution reaction is essential for advancing proton exchange membrane water electrolyzers. Here we report a dual-site substituted spinel Mn3O4 catalyst in which Ru partially occupies octahedral Mn sites to enhance Ru–O hybridization and intrinsic catalytic activity, while Co partially replaces tetrahedral Mn sites to stabilize the lattice and improve electronic conductivity. The catalyst requires an overpotential of 175 mV to reach 10 mA cmgeo−2 and maintains operation for more than 650 hours at 100 mA cmgeo−2 with a voltage degradation rate of 0.23 mV h−1 in 0.5 M H2SO4. When used as the anode in a proton exchange membrane water electrolyzer, it delivers 1 A cm−2 at a cell voltage of 1.69 V, demonstrating its potential for practical acidic water electrolysis. In situ characterization confirms that Ru and Co substitution alters the oxygen evolution pathway. These findings establish a site-specific cation substitution strategy for developing active, durable, and cost-effective Ru-based electrocatalysts under acidic conditions. Durable ruthenium catalysts are needed for efficient acidic water electrolysis. Here, the authors show that selective substitution of distinct sites in spinel manganese oxide changes the oxygen evolution pathway and improves activity with low ruthenium use.
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