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罗维/邱鹏鹏Angew.:Fe5-Cu-N-mC实现高效的ORR

原子-簇相互作用是提高氧还原反应(ORR)金属-氮-碳(M-N-C)催化剂性能的有效途径,但是这些催化剂的合理设计和理解它们的结构-性能相关性仍然是一个巨大的挑战。


基于此,东华大学罗维研究员和邱鹏鹏副研究员等人报道了通过密度泛函理论(DFT)计算和实验分析,证明了相邻M-N4单原子(SAs)的引入可以显著提高筛选良好的Fe原子簇(AC)催化剂的ORR性能。
结果表明,Fe5-Cu-N-mC催化剂具有良好的ORR性能,在碱中半波电位为0.92 eV,在酸中半波电位为0.80 eV,在Zn-空气电池中功率密度高达214.8 mW cm-2
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通过DFT计算,作者研究了与4e转移途径相关的机制。作者绘制了中间产物的吉布斯自由能(ΔG)。限速步骤是在U=1.23 V的原始Fe5-N-C催化剂上,OH*以1.65 eV的能垒生成H2O。
Fe5-Cu-N-C结构的OH*→H2O步电位急剧下降到1.06 eV,表明Cu-N4基团的引入促进了OH*的释放。当U电位切换到0 V时,除Fe5-Zn-N-C结构外,所有模型中OOH*到H2O2的能垒均为负,说明相邻单原子的引入有利于4e- ORR过程的发生。
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在OH*→H2O的最后一步,对比纯Fe5-N-C样品,所需要的过电位降低了,表明这些单原子也可以提高Fe5-N-C催化剂的催化性能。更重要的是,在Cu-N4结构存在下,OH*→H2O阶跃迁是下坡的,进一步证明了Fe5-Cu-NC结构的优先性。
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Modulating Electronic Structures of Iron Clusters through Orbital Rehybridization by Adjacent Single Copper Sites for Efficient Oxygen Reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202308344.




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