中南大学翁百成AM：MnO2纳米片上应变诱导电子结构调制，增强酸性OER活性和稳定性

电化学水分解(如质子交换膜(PEM)电解)生产清洁和可回收的氢燃料，为解决当前的能源短缺和环境污染问题提供了一个理想的解决方案。水分解涉及析氧反应(OER)和析氢反应(HER)，由于OER涉及多电子转移步骤而表现出比HER更缓慢的动力学。与碱性电解法相比，在酸性介质中进行OER反应具有操作简单、电流密度高和高压相容性等优点。

目前，OER的基准催化剂仍然是Ir基化合物，但它们的稀缺性、低质量活性和在高电流密度下的大过电位限制了其大规模应用。因此，减少Ir在电催化剂中的使用和构建更多的活性中心，对于酸性电催化水分解产氢的商业化应用至关重要。

基于此，中南大学翁百成课题组采用水热法将痕量的Ir物种负载到耐酸载体MnO₂上，制备了一种应变层状纳米片电催化剂(sl-Mn_1-xIr_xO₂)。实验结果和理论计算表明，将Ir原子引入MnO₂诱导更多的Mn³⁺位点产生；同时，引入Ir原子所产生的应变诱导结构优化了OER的反应能垒，提高了反应活性。

具体来说，sl-Mn_1-xIr_xO₂中的dxy和dz²朝向O 2p轨道向下移，为OER提供了足够的价电子，而且由于高自旋结构，半填充dz²自旋向下轨道的位置非常接近费米能级，这有利于缓解过渡金属的过度氧化和“接受-捐赠”过程中的电荷转移，进而提高了材料的OER活性和稳定性。

电化学性能测试结果显示，最优的sl-Mn_0.98Ir_0.02O₂纳米片表现出优异的酸性OER性能，其在300 mV过电位下的质量活性高达5681 A g⁻¹，仅需277 mV的低过电位就能达到100 mA cm⁻²；同时，在实际应用中，即使在300 mA cm⁻²的高电流密度下，sl-Mn_0.98Ir_0.02O₂催化剂也能够连续稳定运行超72小时；并且经过超过168 h(7天)的耐久性试验，该催化剂仍能保持初始电位的86%，优于目前报道的大多数催化剂。其显著的性能归因于调谐的电子结构。

此外，使用sl-Mn_0.98Ir_0.02O₂作为OER催化剂和使用Pt/C作为HER催化剂组装的水电解槽，仅需1.453 V的电池电压就能达到10 mA cm⁻²的电流密度。

Strain induced electronic structure modulation on MnO₂ nanosheet by Ir incorporation for efficient water oxidation in acid. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202308060

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中南大学翁百成AM：MnO2纳米片上应变诱导电子结构调制，增强酸性OER活性和稳定性

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