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Insight into the Effect of Oxygen Vacancy Concentration on the Catalytic Performance of MnO2

催化作用 费米能级 化学 电子结构 态密度 氧气 电导率 带隙 工作职能 无机化学 材料科学 电子能带结构 空位缺陷 计算化学 化学物理 物理化学 密度泛函理论 吸附 结晶学 凝聚态物理 电极 量子力学 有机化学 光电子学 电子 物理 生物化学
作者
Li Li,Xianghong Feng,Yao Nie,Siguo Chen,Feng Shi,Kun Xiong,Wei Ding,Xueqiang Qi,Jin‐Song Hu,Zidong Wei,Li‐Jun Wan,Meirong Xia
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:5 (8): 4825-4832 被引量:293
标识
DOI:10.1021/acscatal.5b00320
摘要

Oxygen vacancies (OVs) are important for changing the geometric and electronic structures as well as the chemical properties of MnO2. In this study, we performed a DFT+U calculation on the electronic structure and catalytic performance of a β-MnO2 catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) with different numbers and extents of OVs. Comparing those results with the experimental XRD analysis, we determined that OVs produce a new crystalline phase of β-MnO2. Changes in the electronic structure (Bader charges, band structure, partial density of states, local density of states, and frontier molecular orbital), proton insertion, and oxygen adsorption in β-MnO2 (110) were investigated as a function of the bulk OVs. The results show that a moderate concentration of bulk OVs reduced the band gap, increased the Fermi and HOMO levels of the MnO2 (or MnOOH), and elongated the O–O bond of the adsorbed O2 and coadsorbed O2 with H. These changes substantially increase the conductivity of MnO2 for the catalysis of ORR. However, an excessively high concentration of OVs in β-MnO2 (110) will work against the catalytic enhancement of MnO2 for ORR. The DFT+U calculation reveals that a moderate concentration of OVs induced a large overlap of the surface Mn dz2 orbitals, thus introducing an extra donor level at the bottom of the conductive band, which increased the conductivity of β-MnO2 (110). Such a curvilinear change of the catalytic activity and electronic structure as a function of the oxygen vacancy concentration suggests that the β-MnO2 with moderate concentration OVs exhibits the highest conductivity and catalytic activity for ORR.
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