Manganese doping motivated cobalt site and unique hexagonal morphology to boost electrochemical water electrolysis

催化作用 电化学 电解 氧化钴 化学工程 材料科学 电解质 析氧 电解水 分解水 纳米结构 无机化学 纳米技术 化学 电极 物理化学 冶金 有机化学 工程类 光催化
作者
Hongyao Xue,Yuandong Wang,Ziming Zhang,Xiyue Li,Jianbo Sun,Yi-Xue Zhang,Yang Bai,Zhenjiang Li
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:648: 159058-159058
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2023.159058
摘要

Undesirable conductivity and insufficient electrocatalytic activity are the current bottlenecks of cobalt tetroxide from achieving efficient water electrolysis. Herein, by optimizing the internal electronic structure and the controlled design of the morphology, we design a unique hexagonal Mn-Co3O4-200 nanostructure that exhibits superior water electrolysis performance with low overpotentials and excellent long-term durability under strongly alkaline conditions, outperforming many other previously reported cobalt oxide-based compounds. Theoretical combined with characterization analysis indicates that introduced Mn atoms induce an increase in the high spin-orbital occupancy of Co2+ to optimize free energy of the OOH*→O2 step, which excites the catalytic activity of the Co sites, resulting in a substantial increase in the catalytic activity of the Mn-Co3O4. Furthermore, we briefly summarize the catalytic activity variation pattern of several catalysts with different microscopy morphologies and innovatively propose a more intuitive means to evaluate their exposed active areas. Compared with other morphologies, the special hexagonal morphology with abundant pores and large effectively exposed catalytic surface area can promote the exposure rate of active centers, mass transfer of electrolytes and diffusion of hydrogen and oxygen in the electrocatalytic process, thus accelerating the rate of electrocatalytic reactions.

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