凌涛/刘辉PNAS：创纪录活性！FM-Mn2V2O7助力ORR

过渡金属氧化物材料进行与氧相关电化学反应的效率，通常由金属-氧杂化控制。近年来，过渡金属氧化物中独特的磁交换相互作用被提出，以促进电化学反应中的电荷转移和降低激活势垒。这种自旋/磁性相关效应为设计氧化物电催化剂提供了一个新的平台，但它们与经典金属-氧杂化理论的联系还是一个未决的问题。

基于此，天津大学凌涛教授和刘辉教授等人报道了以Mn_xV_yO_z家族为平台，发现铁磁（FM）有序与锰氧化物的强锰（Mn）-氧（O）杂化密切相关，从而显著提高氧还原反应（ORR）活性。结果表明，Mn-O杂交程度高的FM-Mn₂V₂O₇获得了创纪录的高ORR活性。

为进一步研究磁效应对反应热力学的影响，作者构建了FM和AFM有序的Mn₂V₂O₇，并在Mn₂V₂O₇表面合理地暴露了Mn³⁺位点。作者计算了FM-和AFM-Mn₂V₂O₇的Mn位点上的ORR自由能图，AFM-Mn₂V₂O₇的限电位步骤是将吸附的O₂转化为*OOH的第一个反应步骤，而氧中间体与FM-Mn₂V₂O₇结合更强，促进*OOH的形成，限制电位步骤转移为*OH的解吸。

注意三元态O₂向*OOH中间体（O₂ → *OOH）的转化通常被认为是ORR对氧化物材料的主要限制。更强的Mn-O杂化和FM排序有望稳定*OOH，从而增加O₂ → *OOH的驱动力。

与AFM-Mn₂V₂O₇相比，FM-Mn₂V₂O₇的Mn-O杂化率提高了约30%；与AFM-Mn₂V₂O₇相比，O₂ → ∗OOH在FM-Mn₂V₂O₇上的能量消耗降低了~0.1 eV，表明FM有序的强Mn-O杂化促进了*OOH的形成，并极大提高了FM-Mn₂V₂O₇上各Mn活性位点的固有活性。计算结果表明，具有强Mn-O杂化的FM排序在优化磁性过渡金属氧化物的反应热力学中的关键作用。

Ferromagnetic ordering correlated strong metal-oxygen hybridization for superior oxygen reduction reaction activity. PNAS, 2023, DOI: 10.1073/pnas.2307901120.