鈷-錳（Co-Mn）尖晶石氧化物是一種有前景的下一代電催化劑，其之前在堿性燃料電池中展示的氧還原反應(yīng)活性與鉑（Pt）相當。盡管它的性能優(yōu)異，但理解氧還原反應(yīng)（ORR）中的催化機制對于推進和實現(xiàn)低成本堿性燃料電池技術(shù)至關(guān)重要。

2025年2月7日，康奈爾大學Andrej Singer、Héctor D. Abru?a在國際頂級期刊Nature Catalysis發(fā)表題為《Multimodal in situ X-ray mechanistic studies of a bimetallic oxide electrocatalyst in alkaline media》的研究論文，Jason J. Huang為論文第一作者，Andrej Singer、Héctor D. Abru?a為論文共同通訊作者。

Jason J. Huang，康奈爾大學博士。2019年畢業(yè)于加州大學圣地亞哥分校，導(dǎo)師：劉平教授；2024年獲康奈爾大學博士學位，導(dǎo)師：Andrej Singer教授。現(xiàn)已加入Sandia National Laboratories。

在本文中，作者使用多模態(tài)原位同步輻射X射線衍射（XRD）和共振彈性X射線散射（REXS）來研究Co-Mn尖晶石氧化物電催化劑的結(jié)構(gòu)與氧化態(tài)之間的相互作用。

研究顯示，Co-Mn尖晶石氧化物電催化劑表現(xiàn)出動力學受限的立方相到四方相的轉(zhuǎn)變，與Co和Mn價態(tài)的降低相關(guān)。

此外，在循環(huán)伏安法測試中，電催化劑在低電位下表現(xiàn)出可逆且快速增加的拉伸應(yīng)變。聯(lián)合密度泛函理論（DFT），研究人員揭示了反應(yīng)性吸附劑如何誘導(dǎo)尖晶石氧化物納米粒子中的應(yīng)變。

圖1：原位XRD和REXS實驗裝置

圖2：Co-Mn氧化物在循環(huán)伏安法測試中的可逆應(yīng)變變化

圖3：MnCo₂O₄在極端ORR條件下的部分可逆相變

圖4：相變過程中Co和Mn的光譜變化

圖5：相變的晶體結(jié)構(gòu)和模擬REXS光譜

圖6：表面吸附物引起的應(yīng)變模型

綜上，作者通過多模態(tài)原位同步輻射X射線衍射（XRD）和共振彈性X射線散射（REXS）技術(shù)，研究了Co-Mn尖晶石氧化物在堿性介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)和氧化態(tài)變化，揭示了其在氧還原反應(yīng)（ORR）中的催化機制。

該研究不僅深入理解了Co-Mn尖晶石氧化物在氧還原反應(yīng)中的催化機制，還為設(shè)計更高效、更耐用的低成本燃料電池電催化劑提供了理論依據(jù)。

Co-Mn尖晶石氧化物作為一種有前景的下一代電催化劑，其在堿性燃料電池中的應(yīng)用潛力巨大。通過優(yōu)化合成條件，有望進一步提高其在氧還原反應(yīng)中的性能，從而推動低成本堿性燃料電池技術(shù)的發(fā)展。

Huang, J.J., Yang, Y., Weinstock, D.?et al.?Multimodal in situ X-ray mechanistic studies of a bimetallic oxide electrocatalyst in alkaline media.?Nat. Catal.?(2025)