Unraveling the Catalytic Mechanism of Co3O4 for the Oxygen Evolution Reaction in a Li-O2 Battery

ACS Catalysis

Volumn 5, Issue 1, 2015, Pages 73-81

  Zhu, Jinzhen ^a   Ren, Xiaodong ^a   Liu, Jianjun ^a   Zhang, Wenqing ^a   Wen, Zhaoyin ^a  

^a SHANGHAI INSTITUTE OF CERAMICS   (China)

Author keywords

catalytic mechanism; Co3< inf>O4< inf>; doping transition metal; first principles calculations; lithium O2< inf> battery

Indexed keywords

CALCULATIONS; CATALYSIS; CHARGING (BATTERIES); DESORPTION; ELECTRIC BATTERIES; ELECTRONIC STRUCTURE; IONIZATION POTENTIAL; LITHIUM; LITHIUM BATTERIES; METALS; QUANTUM CHEMISTRY; SECONDARY BATTERIES; TRANSITION METAL COMPOUNDS; TRANSITION METALS;

CATALYTIC MECHANISMS; COMPUTATIONAL RESULTS; DECOMPOSITION REACTION; FIRST-PRINCIPLES CALCULATION; INTERFACIAL MODELING; OXYGEN EVOLUTION REACTION; TRANSITION-METAL OXIDES; UNDERLYING SURFACE;

CATALYST ACTIVITY;

EID: 84927712284     PISSN: 21555435     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cs5014442     Document Type: Article

References (76)

1. Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, A. C.; Swanson, S.; Wilcke, W. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2193 - 2203 10.1021/jz1005384
2. Cheng, F. Y.; Chen, J. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 2172 - 2192 10.1039/c1cs15228a
3. Shao, Y. Y.; Ding, F.; Xiao, J.; Zhang, J.; Xu, W.; Park, S.; Zhang, J. G.; Wang, Y.; Liu, J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 987 - 1004 10.1002/adfm.201200688
4. Li, F. J.; Zhang, T.; Zhou, H. S. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1125 - 1141 10.1039/c3ee00053b
5. Peng, Z. Q.; Freunberger, S. A.; Chen, Y. H.; Bruce, P. G. Science 2012, 337, 563 - 566 10.1126/science.1223985
6. Jung, H. G.; Hassoun, J.; Park, J. B.; Sun, Y. K.; Scrosati, B. Nat. Chem. 2012, 4, 579 - 585 10.1038/nchem.1376
7. Christensen, J.; Albertus, P.; Sanchez-Carrera, R. S.; Lohmann, T.; Kozinsky, B.; Liedtke, R.; Ahmed, J.; Kojic, A. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, R1 - R30 10.1149/2.086202jes
8. Debart, A.; Bao, J.; Armstrong, G.; Bruce, P. G. J. Power Sources 2007, 174, 1177 - 1182 10.1016/j.jpowsour.2007.06.180
9. Debart, A.; Paterson, A. J.; Bao, J.; Bruce, P. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 4521 - 4524 10.1002/anie.200705648
10. Read, J. J. Electrochem. Soc. 2002, 149, A1190 - A1195 10.1149/1.1498256
11. Zhang, G. Q.; Zheng, J. P.; Liang, R.; Zhang, C.; Wang, B.; Hendrickson, M.; Plichta, E. J. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A953 - A956 10.1149/1.3446852
12. Cheng, H.; Scott, K. J. Power Sources 2010, 195, 1370 - 1374 10.1016/j.jpowsour.2009.09.030
13. Mizuno, F.; Nakanishi, S.; Kotani, Y.; Yokoishi, S.; Iba, H. Electrochemistry 2010, 78, 403 - 405 10.5796/electrochemistry.78.403
14. Débart, A.; Bao, J.; Armstrong, G.; Bruce, P. G. J. Power Sources 2007, 174, 1177 - 1182 10.1016/j.jpowsour.2007.06.180
15. Lu, Y. C.; Gasteiger, H. A.; Parent, M. C.; Chiloyan, V.; Shao-Horn, Y. Electrochem. Solid-State Lett. 2010, 13, A69 - A72 10.1149/1.3363047
16. Thapa, A. K.; Saimen, K.; Ishihara, T. Electrochem. Solid-State Lett. 2010, 13, A165 - A167 10.1149/1.3481762
17. Trahey, L.; Johnson, C. S.; Vaughey, J. T.; Kang, S. H.; Hardwick, L. J.; Freunberger, S. A.; Bruce, P. G.; Thackeray, M. M. Electrochem. Solid-State Lett. 2011, 14, A64 - A66 10.1149/1.3555366
18. Lee, J. H.; Black, R.; Popov, G.; Pomerantseva, E.; Nan, F. H.; Botton, G. A.; Nazar, L. F. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9558 - 9565 10.1039/c2ee21543h
19. Jin, L.; Xu, L. P.; Morein, C.; Chen, C. H.; Lai, M.; Dharmarathna, S.; Dobley, A.; Suib, S. L. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3373 - 3382 10.1002/adfm.201001080
20. Thapa, A. K.; Ishihara, T. J. Power Sources 2011, 196, 7016 - 7020 10.1016/j.jpowsour.2010.09.112
21. Wang, L.; Zhao, X.; Lu, Y. H.; Xu, M. W.; Zhang, D. W.; Ruoff, R. S.; Stevenson, K. J.; Goodenough, J. B. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, A1379 - A1382 10.1149/2.068112jes
22. Lee, J. H.; Black, R.; Popov, G.; Pomerantseva, E.; Nan, F. H.; Botton, G. A.; Nazar, L. F. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9558 - 9565 10.1039/c2ee21543h
23. Cui, Y. M.; Wen, Z. Y.; Liu, Y. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4727 - 4734 10.1039/c1ee02365a
24. Lu, Y. C.; Xu, Z. C.; Gasteiger, H. A.; Chen, S.; Hamad-Schifferli, K.; Shao-Horn, Y. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12170 - 12171 10.1021/ja1036572
25. Peng, Z.; Freunberger, S. A.; Chen, Y.; Bruce, P. G. Science 2012, 337, 563 - 566 10.1126/science.1223985
26. Sun, B.; Munroe, P.; Wang, G. X. Sci. Rep. 2013, 10.1038/srep02247
27. He, P.; Wang, Y. G.; Zhou, H. S. Chem. Commun. 2011, 47, 10701 - 10703 10.1039/c1cc14144a
28. Thotiyl, M. M. O.; Freunberger, S. A.; Peng, Z. Q.; Chen, Y. H.; Liu, Z.; Bruce, P. G. Nat. Mater. 2013, 12, 1050 - 1056 10.1038/nmat3737
29. Shui, J. L.; Karan, N. K.; Balasubramanian, M.; Li, S. Y.; Liu, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16654 - 16661 10.1021/ja3042993
30. McCloskey, B. D.; Scheffler, R.; Speidel, A.; Bethune, D. S.; Shelby, R. M.; Luntz, A. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18038 - 18041 10.1021/ja207229n
31. Zhang, L. L.; Wang, Z. L.; Xu, D.; Xu, J. J.; Zhang, X. B.; Wang, L. M. Chin. Sci. Bull. 2012, 57, 4210 - 4214 10.1007/s11434-012-5013-6
32. Zhang, G. Q.; Zheng, J. P.; Liang, R.; Zhang, C.; Wang, B.; Au, M.; Hendrickson, M.; Plichta, E. J. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, A822 - A827 10.1149/1.3590736
33. Yang, W.; Salim, J.; Ma, C.; Ma, Z. H.; Sun, C. W.; Li, J. Q.; Chen, L. Q.; Kim, Y. Electrochem. Commun. 2013, 28, 13 - 16 10.1016/j.elecom.2012.12.007
34. Chen, J.; Selloni, A. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2808 - 2814 10.1021/jz300994e
35. Khodakov, A. Y.; Lynch, J.; Bazin, D.; Rebours, B.; Zanier, N.; Moisson, B.; Chaumette, P. J. Catal. 1997, 168, 16 - 25 10.1006/jcat.1997.1573
36. Xie, X.; Li, Y.; Liu, Z. Q.; Haruta, M.; Shen, W. Nature 2009, 458, 746 - 749 10.1038/nature07877
37. Black, R.; Lee, J. H.; Adams, B.; Mims, C. A.; Nazar, L. F. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 392 - 396 10.1002/anie.201205354
38. Zhong, L.; Mitchell, R. R.; Liu, Y.; Gallant, B. M.; Thompson, C. V.; Huang, J. Y.; Mao, S. X.; Shao-Horn, Y. Nano Lett. 2013, 13, 2209 - 2214 10.1021/nl400731w
39. Mo, Y. F.; Ong, S. P.; Ceder, G. Phys. Rev. B 2011, 84, 1 - 9 10.1103/PhysRevB.84.205446
40. Hummelshoj, J. S.; Blomqvist, J.; Datta, S.; Vegge, T.; Rossmeisl, J.; Thygesen, K. S.; Luntz, A. C.; Jacobsen, K. W.; Norskov, J. K. J. Chem. Phys. 2010, 132, 071101 10.1063/1.3298994
41. Hummelshoj, J. S.; Luntz, A. C.; Norskov, J. K. J. Chem. Phys. 2013, 138, 1 - 12 10.1063/1.4773242
42. Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169 - 11186 10.1103/PhysRevB.54.11169
43. Kresse, G.; Furthmüller, J. Comput. Mater. Sci. 1996, 6, 15 - 50 10.1016/0927-0256(96)00008-0
44. Xu, X.-L.; Chen, Z.-H.; Li, Y.; Chen, W.-K.; Li, J.-Q. Surf. Sci. 2009, 603, 653 - 658 10.1016/j.susc.2008.12.036
45. Jiang, D.-e.; Dai, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 978 - 984 10.1039/c0cp01138j
46. Dudarev, S. L.; Botton, G. A.; Savrasov, S. Y.; Humphreys, C. J.; Sutton, A. P. Phys. Rev. B 1998, 57, 1505 - 1509 10.1103/PhysRevB.57.1505
47. Ren, Y.; Ma, Z.; Qian, L. P.; Dai, S.; He, H. Y.; Bruce, P. G. Catal. Lett. 2009, 131, 146 - 154 10.1007/s10562-009-9931-0
48. Razdobarov, V. A.; Sadykov, V. A.; Veniaminov, S. A.; Bulgakov, N. N.; Kovalenko, O. N.; Pankratiev, Y. D.; Popovskii, V. V.; Kryukova, G. N.; Tikhov, S. F. React. Kinet. Catal. Lett. 1988, 37, 109 - 114 10.1007/BF02061718
49. Pollard, M. J.; Weinstock, B. A.; Bitterwolf, T. E.; Griffiths, P. R.; Newbery, A. P.; Paine, J. B., III J. Catal. 2008, 254, 218 - 225 10.1016/j.jcat.2008.01.001
50. Petitto, S. C.; Langell, M. A. J. Vac Sci. Technol. A 2004, 22, 1690 - 1696 10.1116/1.1763899
51. Radin, M. D.; Rodriguez, J. F.; Tian, F.; Siegel, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1093 - 1103 10.1021/ja208944x
52. Chase, M. W. NIST-JANAF Thermochemical Tables, 4 th ed.; American Institute of Physics: Melville, NY, 1998.
53. Chase, M. W. American Institute of Physics: Melville, NY, 1998.
54. Rossmeisl, J.; Norskov, J. K.; Taylor, C. D.; Janik, M. J.; Neurock, M. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21833 - 21839 10.1021/jp0631735
55. Xu, X.-L.; Yang, E.; Li, J.-Q.; Li, Y.; Chen, W.-K. ChemCatChem. 2009, 1, 384 - 392 10.1002/cctc.200900115
56. Kapteijn, F.; Rodriguez-Mirasol, J.; Moulijn, J. A. Appl. Catal., B 1996, 9, 25 - 64 10.1016/0926-3373(96)90072-7
57. Xu, R.; Zeng, H. C. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 926 - 930 10.1021/jp021094x
58. Liu, X. H.; Qiu, G. Z.; Li, X. G. Nanotechnology 2005, 16, 3035 - 3040 10.1088/0957-4484/16/12/051
59. Yeo, B. S.; Bell, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5587 - 5593 10.1021/ja200559j
60. Esswein, A. J.; McMurdo, M. J.; Ross, P. N.; Bell, A. T.; Tilley, T. D. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 15068 - 15072 10.1021/jp904022e
61. Lu, B. A.; Cao, D. X.; Wang, P.; Wang, G. L.; Gao, Y. Y. Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 72 - 78 10.1016/j.ijhydene.2010.09.056
62. Mitchell, R. R.; Gallant, B. M.; Shao-Horn, Y.; Thompson, C. V. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1060 - 1064 10.1021/jz4003586
63. Gallant, B. M.; Kwabi, D. G.; Mitchell, R. R.; Zhou, J.; Thompson, C. V.; Shao-Horn, Y. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2518 - 2528 10.1039/c3ee40998h
64. Ren, X.; Zhu, J.; F, D.; Liu, J.; Zhang, W. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 22412 - 22418 10.1021/jp505876z
65. Pal, R.; Wang, L. M.; Pei, Y.; Wang, L. S.; Zeng, X. C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9438 - 9445 10.1021/ja302902p
66. Freunberger, S. A.; Chen, Y. H.; Drewett, N. E.; Hardwick, L. J.; Barde, F.; Bruce, P. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 8609 - 8613 10.1002/anie.201102357
67. Zhang, L. L.; Zhang, X. B.; Wang, Z. L.; Xu, J. J.; Xu, D.; Wang, L. M. Chem. Commun. 2012, 48, 7598 - 7600 10.1039/c2cc33933a
68. Lim, H. D.; Park, K. Y.; Gwon, H.; Hong, J.; Kim, H.; Kang, K. Chem. Commun. 2012, 48, 8374 - 8376 10.1039/c2cc32788k
69. Zhang, K. J.; Zhang, L. X.; Chen, X.; He, X.; Wang, X. G.; Dong, S. M.; Han, P. X.; Zhang, C. J.; Wang, S.; Gu, L.; Cui, G. L. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 858 - 865 10.1021/jp310571y
70. Nakamura, R.; Nakato, Y. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1290 - 1298 10.1021/ja0388764
71. McFarland, E. W.; Metiu, H. Chem. Rev. 2013, 113, 4391 - 4427 10.1021/cr300418s
72. Metiu, H.; Chrétien, S.; Hu, Z.; Li, B.; Sun, X. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 10439 - 10450 10.1021/jp301341t
73. Gallant, B. M.; Kwabi, D. G.; Mitchell, R. R.; Zhou, J. G.; Thompson, C. V.; Shao-Horn, Y. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2518 - 2528 10.1039/c3ee40998h
74. Lu, Y. C.; Shao-Horn, Y. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 93 - 99 10.1021/jz3018368
75. McCloskey, B. D.; Scheffler, R.; Speidel, A.; Girishkumar, G.; Luntz, A. C. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 23897 - 23905 10.1021/jp306680f
76. Cui, Y. M.; Wen, Z. Y.; Liang, X.; Lu, Y.; Jin, J.; Wu, M. F.; Wu, X. W. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7893 - 7897 10.1039/c2ee21638h