Carbon-Supported Manganese Oxide Nanoparticles as Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) in Alkaline Medium:  Physical Characterizations and ORR Mechanism

Abstract

MnO x /C and Me-MnO x /C (Me ) Ni, Mg) electrocatalysts prepared by chemical deposition of manganese oxide nanoparticles on carbon have been characterized by Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray Diffraction (XRD), and chemical analysis. Their Oxygen Reduction Reaction (ORR) kinetics and mechanism have been investigated in alkaline KOH solutions by using the Rotating Disk Electrode (RDE) and the Rotating Ring-Disk Electrode (RRDE) setups. Doping the MnO x /C nanoparticles with nickel or magnesium divalent cations can considerably improve their oxygen reduction activity. As a result, the Me-MnO x /C electrocatalysts exhibit ORR specific or mass activities close to the benchmark 10 wt % Pt/C from E-TEK. At low ORR current densities, the undoped MnO x /C electrocatalyst displays a reaction order with respect to P O 2 and OHof 1 and -0.5, respectively, while ∂E/∂log i is ca. -59 mV dec -1 . The ORR reaction order toward OHis unchanged with the magnesium doping, while it becomes -2 with the nickel doping. RRDE data show that doping the MnO x /C electrocatalysts directs the ORR toward the four-electron pathway. The first electrochemical step of the 4-electron ORR mechanism is probably the quasiequilibrium proton insertion process into MnO 2 leading to MnOOH, while the second electron transfer, consisting of the O 2,ads species electrosplitting, yielding O ads and hydroxide anion, is rate determining. The presence of the doping metal cations may stabilize the intermediate Mn III /Mn IV species, which assist this second charge transfer to oxygen adatoms. As a result, the ORR rate is enhanced for the Me-MnO x /C electrocatalysts: they exhibit remarkable ORR catalytic activity and yield quantitative formation of OH -(selectivity toward the 4-electron pathway).

Bioinspired copper catalyst effective for both reduction and evolution of oxygen

“…3). Therefore, various alternatives have been proposed, mainly including two categories of doped carbonaceous materials 4,5 and late transition metals (that is, Mn, Fe, and Co; refs [6][7][8] in different chemical forms. In reality, fewer materials become available since both the activity and electrolyte corrosion at high potentials have to be considered under the extreme environments of the cathode.…”

Síntese de óxidos mistos SiO2 /Mn xOy para aplicação na reação de redução de O2

“…SiMn-E/400 287,0±14,4 0,0937±0,0047 16,0±0,8 Uma vez que a literatura reporta que o óxido Mn 3 O 4 apresenta atividade catalítica para a reação de redução de oxigênio molecular [12][13][14][15][16][17][27][28][29][30], foram realizados estudos do comportamento eletroquímico para os materiais SiMn-E e SiMn-E/400. Na Figura 9 é apresentada a voltametria cíclica obtida para o material SiMn-E. Podem-se dividir os picos anódicos e catódicos em dois grupos, um em potenciais positivos e outro em potenciais negativos.…”

“…Os picos em potenciais positivos provavelmente estão relacionados ao par redox Mn 2+ /Mn +3 [17]. O outro grupo, em potenciais negativos, pode ser atribuído ao processo de eletrorredução do oxigênio dissolvido [14][15][16][17][27][28][29][30], visto que sua intensidade depende da concentração deste.…”

“…Em função de sua estabilidade química, de seu baixo custo e de ser ambientalmente benigna, a família dos óxidos de manganês tem recebido grande atenção atualmente [9,[11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30], e esses óxidos têm se destacado por suas potenciais aplicações na área de materiais para aplicação em energia, por exemplo, como catalisadores na oxidação da água, em sistemas de fotossíntese artificial [23][24][25][26][27], ou como catalisadores na reação de redução de oxigênio molecular (RRO) em pilhas a combustível alcalinas [27][28][29][30]. Recentemente, vários artigos vêm estudando a atividade catalítica dos óxidos de manganês na reação de redução de oxigênio molecular [11][12][13][14][15][16][17][27][28][29][30].…”

“…Recentemente, vários artigos vêm estudando a atividade catalítica dos óxidos de manganês na reação de redução de oxigênio molecular [11][12][13][14][15][16][17][27][28][29][30]. Estes estudos têm levado em consideração o fato de que o Mn troca seu estado de oxidação de +2 para +3, e deste para +4, em potenciais relevantes para a reação de redução do oxigênio molecular, o que sugere que os óxidos de manganês podem trocar átomos de oxigênio com o eletrólito.…”