Strategies for Modulating the Catalytic Activity and Selectivity of Manganese Antimonates for the Oxygen Reduction Reaction

催化作用 选择性 化学 电催化剂 可逆氢电极 无机化学 活动站点 电极 金属 过渡金属 组合化学 化学工程 电化学 参比电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Melissa E. Kreider,G. T. Kasun Kalhara Gunasooriya,Yunzhi Liu,José A. Zamora Zeledón,Eduardo Valle,Chengshuang Zhou,Joseph H. Montoya,Alessandro Gallo,Robert Sinclair,Jens K. Nørskov,Michaela Burke Stevens,Thomas F. Jaramillo
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (17): 10826-10840 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c01764
摘要

Strategies for improving the performance of nonprecious metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) can facilitate the cost-effective deployment of fuel cell devices. Electrocatalyst performance is typically improved via two approaches: increasing the number of active sites and increasing the intrinsic activity of the active site. Herein, we utilize these two methods of improving performance for MnSb2O6, which we have recently shown to be a promising ORR catalyst due to improvements in per-metal-site activity in the antimonate framework. First, electrode engineering is used to investigate the role of mass and conductive support loading in the observed ORR performance and selectivity. The apparent 2-electron selectivity is found to decrease with increases in mass and/or conductive support loading, indicating that rotating ring disk electrode studies do not necessarily measure the intrinsic selectivity of the catalyst. Second, theoretical calculations are used to identify Cr, Fe, and Ni as promising first-row transition metals for improving the intrinsic activity of MnSb2O6. Experimentally, the addition of Cr results in 3-fold and 2-fold increases in the mass and specific activities at 0.7 V vs the reversible hydrogen electrode, respectively. This enhancement is attributed to the modulation of the active site structure and Mn oxidation state with the addition of Cr. Through these studies, we gain insight into the intrinsic and extrinsic factors that govern ORR performance.
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