Stabilizing the High Spin Cobalt Atoms by Local Magnetic Asymmetry in p‐Block Metals‐Doped Spinel MnCo2O4 Catalysts for Efficient Oxygen Reduction

材料科学 催化作用 尖晶石 自旋态 兴奋剂 八面体 吸附 电催化剂 氧气 无机化学 电极 物理化学 结晶学 电化学 化学 晶体结构 生物化学 光电子学 有机化学 冶金
作者
Shuyun Lou,Guojun Wen,Shike Xu,Jiwu Zhao,Y.G. Wang,Yaoyao Chen,Ying Wang,Na Wen,Chao Xu,Huaxiang Lin,Zhengxin Ding,Rusheng Yuan,Jinlin Long
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202513681
摘要

Abstract Spinel MnCo 2 O 4 (MCO) is often used for electrocatalytic oxygen reduction reaction (eORR), limited kinetically by the electronic spin state of surface cobalt (Co) centers. In this work, the rate‐determining step of eORR is unlocked by doping p ‐block metals, including Ga, In, and Pb, into MCO catalysts to stabilize the high‐spin state of surface octahedral Co atoms, where the high‐spin electrons are rapidly injected into triplet O 2 adsorbates. The optimal Pb‐doped MCO catalyst (denoted as 0.2MCPO) as an air electrode is used to setup a solid oxide fuel cell (SOFC) device, achieving a significantly‐enhanced peak power density of 1.53 W cm −2 and remarkable stability over 210 h. The M─2O─Co covalencies make the high‐spin state of surface octahedral Co atoms more stable by the p ‐ d orbital coupling mechanism, and thus boost kinetically the electron transfer from surface Co sites to O 2 adsorbates. A combination of experimental and theoretical analysis reveals that the stable high‐spin state of Co atoms enhances O 2 adsorption and activation, lowering the energy barriers for the homolytic cleavage of O 2 into two *O atoms. These findings offer fundamental insights into spin‐selected electrocatalysis for ORR and a general guidance to construction of high‐performance SOFC devices for energy conversion and storage.
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