Mn3+ eg Configuration and Electron Transfer in Na-Incorporating α-MnO2 to Improve Electrochemical Supercapacitor: An In Situ and Ex Situ X-ray Absorption Spectroscopic Investigation

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作者
Priyanka L. Yadav,A.R. Shelke,Hsiao‐Tsu Wang,Kuan-Hung Chen,Wei- Xuan Lin,Chin-Wei Li,Meiyu Chen,Ping‐Hung Yeh,Chung‐Li Dong,Mohammad Qorbani,Yucheng Huang,J. W. Chiou,Huang-Ming Tsai,Prakash M. Kadam,Kuei‐Hsien Chen,Li‐Chyong Chen,W. F. Pong
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (12): 6443-6455 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsaem.3c00263
摘要

Cryptomelane-type α-MnO2 has a high specific capacitance and cyclic stability because of its combination of 1 × 1 and 2 × 2 tunnel structures that are formed from the edge- and corner-sharing octahedra. It, therefore, has the potential to host various cations, which improve its electrochemical properties. The Na incorporation provides an opportunity for charge compensation by forming mixed-valence Mn3+ and Mn4+ states in α-MnO2. This study shows that the incorporation of Na results in superior electrochemical properties by enhancing the specific capacitance and capacity retention of α-MnO2 to 234.4 F g–1 and ∼96%, respectively. The electrochemical performance is improved following Na incorporation by the induced phase competition between α-MnO2 and the induced β-MnO2, while the charge neutrality between Jahn–Teller (JT) active Mn3+ and Mn4+ ions is maintained. The formed Mn3+/Mn4+ mixed-valence species increase the strength of the redox reaction at the electrode–electrolyte interface, as observed from the in-situ Mn K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) and the extended X-ray absorption fine structure. Ex-situ Mn L3,2-edge XANES analysis further reveals that the introduction of eg from the Mn3+ 3d orbitals causes electron transfer via O 2p states by establishing the double-exchange (DE) Mn3+–O–Mn4+ interaction. This study suggests that the electron exchange also involves the super-exchange (SE) Mn4+–O–Mn4+ interaction, based on field-dependent magnetization (M–H) measurement, which accelerates the redox reaction in α-MnO2. This work demonstrates that JT active Mn3+ eg configuration is responsible for the great improvement of electrochemical properties that are induced by the incorporation and insertion/extraction of Na+ ions with the charge/discharge process, which causes electron hopping between Mn3+/Mn4+ and Mn4+ through oxygen ligand by DE/SE in the α-MnO2.
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