纳米级别氧化物颗粒催化氧还原的主导因素在体相还是表面？

金属氧化物具有价格低廉、环境友好等特点，在电催化领域得到了广泛的关注。除了筛选具有高活性的金属氧化物催化剂，揭示不同催化现象背后的本质原因也格外重要，由此对催化性能的调控具有极其关键的指导作用。在一系列金属氧化物催化性能的研究中，氧化物的体相参数（如过渡金属eg轨道的填充电子数、氧p轨道的权重中心）被视为决定其催化性能的主导因素。但是对于颗粒尺寸极小的纳米材料而言，其表面和体相差异非常大。考虑到催化反应主要发生在纳米颗粒表面，体相参数的重要性无疑削弱。

近日，新加坡南洋理工大学的徐梽川（点击查看介绍）课题组以研究尖晶石Mn_xFe_3-xO₄ （x = 0.5~2.5）（颗粒尺寸~5纳米）为例，揭示了氧化物的表面而非体相的特性对催化氧还原反应（ORR）起到了决定性的作用。该团队结合同步辐射X射线吸收光谱、X射线光电子能谱以及电化学循环伏安曲线对氧化物的表面和体相进行了全面的分析，并逐一探索了尖晶石Mn_xFe_3-xO₄（x = 0.5~2.5）的体相和表面化学与其催化活性的潜在关联。该研究发现，体相表征手段所揭示的eg轨道电子数以及阳离子在四面体和八面体的占位情况与催化活性没有必然的联系。相反，催化剂的表面锰离子浓度及锰的价态共同决定了其氧还原活性。这一发现表明，对于颗粒尺寸极小的纳米催化剂而言，其表面特性更具有参考价值。相关工作发表在ACS Catalysis 上。

该论文作者为：Ye Zhou, Shibo Xi, Jingxian Wang, Shengnan Sun, Chao Wei, Zhenxing Feng, Yonghua Du, Zhichuan J. Xu.

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Revealing the Dominant Chemistry for Oxygen Reduction Reaction on Small Oxide Nanoparticles

ACS Catal., 2018, 8, 673, DOI: 10.1021/acscatal.7b03864

导师介绍

徐梽川

http://www.x-mol.com/university/faculty/38302