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Correlating Orbital Composition and Activity of LaMnxNi1–xO3 Nanostructures toward Oxygen Electrocatalysis

电催化剂 化学 过渡金属 密度泛函理论 X射线光电子能谱 电子结构 钙钛矿(结构) 析氧 化学物理 电化学 结晶学 物理化学 催化作用 计算化学 化学工程 电极 工程类 生物化学
作者
Mohammed A. Alkhalifah,Benjamin Howchen,Joseph Staddon,Verónica Celorrio,Devendra Tiwari,David J. Fermı́n
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (10): 4439-4447 被引量:37
标识
DOI:10.1021/jacs.1c11757
摘要

The atomistic rationalization of the activity of transition metal oxides toward oxygen electrocatalysis is one of the most complex challenges in the field of electrochemical energy conversion. Transition metal oxides exhibit a wide range of structural and electronic properties, which are acutely dependent on composition and crystal structure. So far, identifying one or several properties of transition metal oxides as descriptors for oxygen electrocatalysis remains elusive. In this work, we performed a detailed experimental and computational study of LaMnxNi1-xO3 perovskite nanostructures, establishing an unprecedented correlation between electrocatalytic activity and orbital composition. The composition and structure of the single-phase rhombohedral oxide nanostructures are characterized by a variety of techniques, including X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and electron microscopy. Systematic electrochemical analysis of pseudocapacitive responses in the potential region relevant to oxygen electrocatalysis shows the evolution of Mn and Ni d-orbitals as a function of the perovskite composition. We rationalize these observations on the basis of electronic structure calculations employing DFT with HSE06 hybrid functional. Our analysis clearly shows a linear correlation between the OER kinetics and the integrated density of states (DOS) associated with Ni and Mn 3d states in the energy range relevant to operational conditions. In contrast, the ORR kinetics exhibits a second-order reaction with respect to the electron density in Mn and Ni 3d states. For the first time, our study identifies the relevant DOS dominating both reactions and the importance of understanding orbital occupancy under operational conditions.
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