Proton-Induced Disproportionation of Jahn–Teller-Active Transition-Metal Ions in Oxides Due to Electronically Driven Lattice Instability

化学 歧化 雅恩-泰勒效应 过渡金属 离子 氧化物 无机化学 溶解 化学物理 物理化学 催化作用 生物化学 有机化学
作者
Hooman Yaghoobnejad Asl,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (50): 21122-21130 被引量:121
标识
DOI:10.1021/jacs.0c10044
摘要

The interfacial chemical reactivity of Jahn–Teller-active transition-metal oxides remains an enigmatic area, often leading to uncontrollable phase transformations in the oxide-based technological applications. In particular, the higher tendency of unwanted transition-metal-ion dissolution and side-reactions in Jahn–Teller-active oxides is accompanied by performance degradation in many electrochemical systems, for example, lithium-ion batteries. We show here that the fundamental electronic structure instability that leads to Jahn–Teller (lattice) distortion in an octahedral ligand field is the active chemical driving force for the spontaneous disproportionation, phase transformation, and metal-ion dissolution in transition-metal oxides upon exposure to protons. On the basis of electronic structure analyses and 18O isotope labeling, we present a mechanism comprising a coupled acid–base/redox reaction that leads to a proton-induced disproportionation of Jahn–Teller-active transition-metal ions, as exemplified by the broad classes of respective oxides.
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