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Diffusion-Mediated Morphological Transformation in Bifunctional Mn2O3/CuO–(VO)3(PO4)2·6H2O for Enhanced Electrochemical Water Splitting

塔菲尔方程 材料科学 过电位 氧化物 双功能 分解水 析氧 柯肯德尔效应 交换电流密度 覆盖层 扩散 化学工程 电化学 电极 物理化学 化学 热力学 冶金 催化作用 光催化 生物化学 工程类 物理
作者
Sourav Bhowmick,Arijeet Sarangi,Ching Thian Moi,Sudip Chakraborty,Mohammad Qureshi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (46): 52204-52215 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.2c16873
摘要

A strategical approach for morphological transformation and heterojunction formation was utilized to suppress the shortcomings of uni-metal oxide electrocatalysts and enhance their bifunctionality. In situ generation of copper oxide (CuO) over the surface of manganese oxide (Mn2O3) resulted in a morphological transformation from solid spheres to hollow spherical structures due to the ion-exchange diffusion (Kirkendall effect) of Cu ions into Mn2O3 particles. This hollowness resulted in the advancement of the bifunctional electrocatalytic behavior of Mn2O3/CuO (overpotential (η10) of 280 mV for an OER and 310 mV for an HER at a current density of 10 mA/cm2) by virtue of increased exposed surface active sites aiding the adsorption of water molecules on the surface. The increased electrochemical active surface area (ECSA/Cdl = 34 mF/cm2) and reduced charge transfer resistance resulted in the formation of Mn2O3/CuO hollow spheres to achieve an approximately threefold enhancement in the turnover frequency (TOF) compared to the bare Mn2O3. The electrocatalytic efficiency of Mn2O3/CuO was further enhanced by virtue of the faster charge transfer coefficient of two-dimensional (2D) vanadyl phosphate hexahydrate (VOP) sheets deposited over its surface. This boosted the overall water splitting with attained overpotential (η10) values of 190 and 220 mV with Tafel slopes of 60 and 105 mV/decade for an OER and HER, respectively. The morphological transformation and formation of an n-p heterojunction between Mn2O3 and CuO based on their work function (φ) values evaluated from the density functional theory (DFT) calculation and the effect of the VOP overlayer for faster reaction kinetics at the electrolyte interface resulted in an ∼10-fold increment in TOF values compared to the bare counterpart.
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