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活性與鉑（Pt）相當。盡管它的性能優異，但理解氧還原反應（ORR）中的催化機制對于推進和實現低成本堿性燃料電池技術至關重要。

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年畢業于加州大學圣地亞哥分校，導師：劉平教授；2024年獲康奈爾大學博士學位，導師：Andrej Singer教授。現已加入Sandia National Laboratories。

在本文中，作者使用多模態原位同步輻射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構與氧化態之間的相互作用。

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

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

圖1：原位XRD和REXS實驗裝置

圖2：Co-Mn氧化物在循環伏安法測試中的可逆應變變化

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：相變的晶體結構和模擬REXS光譜

圖6：表面吸附物引起的應變模型

綜上，作者通過多模態原位同步輻射X射線衍射（XRD）和共振彈性X射線散射（REXS）技術，研究了Co-Mn尖晶石氧化物在堿性介質中的結構和氧化態變化，揭示了其在氧還原反應（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中的催化機制，還為設計更高效、更耐用的低成本燃料電池電催化劑提供了理論依據。

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用潛力巨大。通過優化合成條件，有望進一步提高其在氧還原反應中的性能，從而推動低成本堿性燃料電池技術的發展。

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)