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Reaction Network of Layer-to-Tunnel Transition of MnO2

化学 相变 动力学 化学物理 离子 过渡状态 掺杂剂 剪切(物理) 结晶学 纳米技术 兴奋剂 凝聚态物理 热力学 材料科学 物理 催化作用 有机化学 量子力学 生物化学
作者
Yefei Li,Shengcai Zhu,Zhi-Pan Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (16): 5371-5379 被引量:121
标识
DOI:10.1021/jacs.6b01768
摘要

As a model system of 2-D oxide material, layered δ-MnO2 has important applications in Li ion battery systems. δ-MnO2 is also widely utilized as a precursor to synthesize other stable structure variants in the MnO2 family, such as α-, β-, R-, and γ-phases, which are 3-D interlinked structures with different tunnels. By utilizing the stochastic surface walking (SSW) pathway sampling method, we here for the first time resolve the atomistic mechanism and the kinetics of the layer-to-tunnel transition of MnO2, that is, from δ-MnO2 to the α-, β-, and R-phases. The SSW sampling determines the lowest-energy pathway from thousands of likely pathways that connects different phases. The reaction barriers of layer-to-tunnel phase transitions are found to be low, being 0.2–0.3 eV per formula unit, which suggests a complex competing reaction network toward different tunnel phases. All the transitions initiate via a common shearing and buckling movement of the MnO2 layer that leads to the breaking of the Mn–O framework and the formation of Mn3+ at the transition state. Important hints are thus gleaned from these lowest-energy pathways: (i) the large pore size product is unfavorable for the entropic reason; (ii) cations are effective dopants to control the kinetics and selectivity in layer-to-tunnel transitions, which in general lowers the phase transition barrier and facilitates the creation of larger tunnel size; (iii) the phase transition not only changes the electronic structure but also induces the macroscopic morphology changes due to the interfacial strain.
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