First-row metals have been a target for the development of oxygen evolution reaction (OER) catalysts because they comprise noncritical elements. We now report a comprehensive electrochemical characterization of manganese oxide (MnOx) over a wide pH range, and establish MnOx as a functionally stable OER catalyst owing to self-healing, is derived from MnOx redeposition that offsets catalyst dissolution during turnover. To study this process in detail, the oxygen evolution mechanism of MnOx was investigated electrokinetically over a pH range spanning acidic, neutral, and alkaline conditions. In the alkaline pH regime, a ∼60 mV/decade Tafel slope and inverse first-order dependence on proton concentration were observed, whereas the OER acidic pH regime exhibited a quasi-infinite Tafel slope and zeroth-order dependence on proton concentration. The results reflect two competing mechanisms: a one-electron one-proton PCET pathway that is dominant under alkaline conditions and a Mn3+ disproportionation process, which predominates under acidic conditions. Reconciling the rate laws of these two OER pathways with that of MnOx electrodeposition elucidates the self-healing characteristics of these catalyst films. The intersection of the kinetic profile of deposition and that of water oxidation as a function of pH defines the region of kinetic stability for MnOx and importantly establishes that a non-noble metal oxide OER catalyst may be operated in acid by exploiting a self-healing process.

Electrodeposited manganese oxide films (MnOx) are promising stable oxygen evolution catalysts. They are able to catalyze the oxygen evolution reaction in acidic solutions but with only modest activity when prepared by constant anodic potential deposition. We now show that the performance of these catalysts is improved when they are "activated" by potential cycling protocols, as measured by Tafel analysis (where lower slope is better): upon activation the Tafel slope decreases from ∼120 to ∼70 mV/decade in neutral conditions and from ∼650 to ∼90 mV/decade in acidic solutions. Electrochemical, spectroscopic, and structural methods were employed to study the activation process and support a mechanism where the original birnessite-like MnOx (δ-MnO2) undergoes a phase change, induced by comproportionation with cathodically generated Mn(OH)2, to a hausmannite-like intermediate (α-Mn3O4). Subsequent anodic conditioning from voltage cycling or water oxidation produces a disordered birnessite-like phase, which is highly active for oxygen evolution. At pH 2.5, the current density of activated MnOx (at an overpotential of 600 mV) is 2 orders of magnitude higher than that of the original MnOx and begins to approach that of Ru and Ir oxides in acid.

Oxygen evolution reaction (OER) catalysts that are earth-abundant and are active and stable in acid are unknown. Active catalysts derived from Co and Ni oxides dissolve at low pH, whereas acid stable systems such as Mn oxides (MnO