第一作者：Xuepeng Zhong, Lijun Sui, Menghao Yang

通訊作者：馬吉偉, Peter Strasser，Zhiwei Hu

通訊單位：同濟(jì)大學(xué)，德國柏林工業(yè)大學(xué)，德國馬普所

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本研究旨在設(shè)計能夠有效催化分子氧電化學(xué)反應(yīng)生成氫氧根離子的材料，關(guān)鍵在于開發(fā)無鉑催化劑。

研究團(tuán)隊通過控制3d和4d/5d金屬的軌道雜化來調(diào)整吸附強度并穩(wěn)定催化位點。在Li₂Mn_1?xRu_xO₃材料中，通過改變M–O共價性（M = 4d/5d金屬）來穩(wěn)定O 2p空穴，有助于緩解結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果顯示，Mn和Ru原子是氧還原反應(yīng)（ORR）的活性位點，與Pt/C催化劑相比表現(xiàn)出高ORR活性和穩(wěn)定性，并且在氧進(jìn)化反應(yīng)中優(yōu)于NiFe層狀雙氫氧化物和RuO₂。特別是，Li₂Mn_0.85Ru_0.15O₃在陰離子交換膜燃料電池和水電解器中分別展現(xiàn)出1.2?W?cm^?2的高功率密度和1.2?A?cm^?2的高電流密度。

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了Li₂Mn_1?xRu_xO₃催化劑的物理表征，包括X射線衍射（XRD）分析、軟X射線吸收光譜（SXAS）研究、X射線光電子能譜（XPS）分析以及透射電子顯微鏡（TEM）圖像。

圖2：詳細(xì)描述了Li₂Mn_0.85Ru_0.15O₃的結(jié)構(gòu)表征，包括中子衍射數(shù)據(jù)、傅里葉變換擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）分析以及高分辨率TEM（HR-TEM）圖像。

圖3：展示了Li₂Mn_1?xRuxO₃的氧還原反應(yīng)（ORR）活性和穩(wěn)定性測試結(jié)果，包括線性掃描伏安法（LSV）曲線、半波電位與組成的關(guān)系、與其他文獻(xiàn)值的比較、極化曲線前后的ADT測試以及金屬溶出分析。

圖4：提供了Li₂Mn_0.85Ru_0.15O₃在ORR過程中的原位X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）分析和理論考慮，包括Mn和Ru K邊的XANES光譜、自由能與反應(yīng)路徑圖。

圖5：展示了使用Li₂Mn_0.85Ru_0.15O₃作為陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）陰極時的性能，包括H₂/O₂和H₂/空氣條件下的極化曲線和功率密度曲線。

圖6：展示了Li₂Mn_1?xRu_xO₃在氧進(jìn)化反應(yīng)（OER）中的性能，包括電催化活性、Tafel斜率、法拉第效率測試以及使用Li₂Mn_0.85Ru_0.15O₃或NiFe-LDH作為陽極的電解器的極化曲線。

總結(jié)展望

本研究的亮點在于成功開發(fā)了一種新型的無鉑催化劑Li₂Mn_1?xRu_xO₃，該催化劑在陰離子交換膜燃料電池和水電解器中展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能。

特別是Li₂Mn_0.85Ru_0.15O₃，其在陰離子交換膜燃料電池中實現(xiàn)了1.2?W?cm^?2的高功率密度和在水電解器中實現(xiàn)了1.2?A?cm^?2的高電流密度，顯示出與商業(yè)鉑族金屬（PGM）催化劑相競爭的潛力。

此外，該催化劑在氧還原反應(yīng)和氧進(jìn)化反應(yīng)中均表現(xiàn)出高活性和穩(wěn)定性，為未來能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了一種高效、低成本的解決方案。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Stabilization of layered lithium-rich manganese oxide for anion exchange membrane fuel cells and water electrolysers

期刊：Nature Catalysis