Water oxidation on a mononuclear manganese heterogeneous catalyst

催化作用 析氧 光系统II 无机化学 氧气 过电位 人工光合作用 化学 电化学 光化学 光合作用 光催化 生物化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Jingqi Guan,Zhiyao Duan,Fuxiang Zhang,Shelly D. Kelly,Rui Si,Michel Dupuis,Qinge Huang,John Qianjun Chen,Chunhua Tang,Can Li
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:1 (11): 870-877 被引量:300
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0158-6
摘要

Water oxidation is the prerequisite for dioxygen evolution in natural or artificial photosynthesis. Although it has been demonstrated that multinuclear active sites are commonly necessary for water oxidation, as inspired by the natural oxygen-evolving centre CaMn4O5, a multinuclear manganese cluster, whether mononuclear manganese can also efficiently catalyse water oxidation has been a long-standing question. Herein, we found that a heterogeneous catalyst with mononuclear manganese embedded in nitrogen-doped graphene (Mn-NG) shows a turnover frequency as high as 214 s−1 for chemical water oxidation and an electrochemical overpotential as low as 337 mV at a current density of 10 mA cm−2. Structural characterization and density functional theory calculations reveal that the high activity of Mn-NG can be attributed to the mononuclear manganese ion coordinated with four nitrogen atoms embedded in the graphene matrix. Nature’s oxygen-evolving complex of photosystem II is a multinuclear manganese cluster. Whether mononuclear manganese can also efficiently catalyse water oxidation has been a long-standing question. Now, Li and co-workers show that single atoms of manganese can be anchored on nitrogen-doped graphene to catalyse the oxygen evolution reaction. Credit: Water image Frankie Angel / Alamy Stock Photo.
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