15 nm 하우스만나이트 Mn₃O₄ 나노입자

15 nm 단일상 하우스만나이트 Mn₃O₄ 나노입자는 Nam 소그룹에서 합성되었으며, 표면 재구성 및 중성 pH OER 탐구에 활용된 paper_203의 모델 촉매이다 (see Yoon et al., J. Phys. Chem. Lett. (2022)).

특성 분석

• 단분산 15 nm NP; [111] 존 축 방향의 HAADF STEM을 통해 (110)/(101) 패싯이 분해능 이상으로 확인됨; SAED 및 EELS로 단일상 하우스만나이트 확인 (see Yoon et al., J. Phys. Chem. Lett. (2022), Fig. 1a, Fig. 2).

OER 성능 (중성 pH)

• 과전위 450 mV @ 1 mA cm⁻² (pH 7.0, 0.5 M 인산염 완충액), Co-Pi에 필적하는 수준 (see Yoon et al., J. Phys. Chem. Lett. (2022), Fig. 1b) → Mn-oxide-OER-benchmark에 기록됨.
• 벌크 Mn₃O₄ 마이크로분말 대조 시료의 경우 동일 전류에서 750 mV 필요 — 에지 사이트 밀도에 기인한 약 300 mV의 나노크기 이점 (Fig. 1a,b).

반응 메커니즘

15 nm NP는 (110)/(101) Mn₃O₄-surface-reconstruction 을 나타내며, 이로 인해 극성 저지수 패싯에서 Mn³⁺가 결핍되어 해당 면이 비활성화된다; 두 저지수 면이 만나는 에지 사이트에 Mn³⁺가 존재하며, 이 위치가 활성 OER 사이트로 기능한다. 에지 밀도가 ∝ 1/r²의 관계를 따르므로 나노크기 향상 효과가 설명된다.

상호 관계

Mn₃O₄-4nm-NPs (열분해법, 4 nm) 및 Mn₃O₄-OH-NPs (표면 리간드 개질)와는 구별되며, 표면 재구성 메커니즘은 해당 크기 범위 전반에 걸쳐 적용된다. MnO-NP-PCET-OER-cycle과 동일한 중성 pH PCET OER 화학반응을 공유한다.