Optimizing d‐Orbital Electronic Configuration via Metal–Metal Oxide Core–Shell Charge Donation for Boosting Reversible Oxygen Electrocatalysis

电催化剂 金属 氧化物 氧还原反应 化学 电荷(物理) Boosting(机器学习) 氧还原 材料科学 芯(光纤) 纳米技术 物理化学 电化学 冶金 电极 物理 计算机科学 复合材料 量子力学 机器学习
作者
Wei Wu,Runzhe Chen,Suhao Chen,Zichen Wang,Niancai Cheng
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (25): e2300621-e2300621 被引量:53
标识
DOI:10.1002/smll.202300621
摘要

Abstract Tuning the d‐orbital electronic configuration of active sites to achieve well‐optimized adsorption strength of oxygen‐containing intermediates toward reversible oxygen electrocatalysis is desirable for efficient rechargeable Zn‐Air batteries but extremely challenging. Herein, this work proposes to construct a Co@Co 3 O 4 core–shell structure to regulate the d‐orbital electronic configuration of Co 3 O 4 for the enhanced bifunctional oxygen electrocatalysis. Theoretical calculations first evidence that electron donation from Co core to Co 3 O 4 shell could downshift the d‐band center and simultaneously weak spin state of Co 3 O 4 , result in the well‐optimized adsorption strength of oxygen‐containing intermediates on Co 3 O 4 , thus contributing a favor way for oxygen reduction/evolution reaction (ORR/OER) bifunctional catalysis. As a proof‐of‐concept, the Co@Co 3 O 4 embedded in Co, N co‐doped porous carbon derived from thickness controlled 2D metal‐organic‐framework is designed to realize the structure of computational prediction and further improve the performance. The optimized 15Co@Co 3 O 4 /PNC catalyst exhibits the superior bifunctional oxygen electrocatalytic activity with a small potential gap of 0.69 V and a peak power density of 158.5 mW cm −2 in ZABs. Moreover, DFT calculations shows that the more oxygen vacancies on Co 3 O 4 contribute too strong adsorption of oxygen intermediates which limit the bifunctional electrocatalysis, while electron donation in the core–shell structure can alleviate the negative effect and maintain superior bifunctional overpotential.
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