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Electronic Structure Modulation Induced by the Synergy of Cobalt Low-Nuclearity Clusters and Mononuclear Sites for Efficient Oxygen Electrocatalysis

双功能 电催化剂 过电位 析氧 催化作用 电子结构 材料科学 纳米技术 化学物理 解吸 化学 吸附 化学工程 无机化学 计算化学 电化学 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Zhijun Li,Hongxue Liu,Yuhao Wang,Siqi Ji,Yuqi Zhang,Yu Liu,Xue Lu,H Teng,J. Hugh Horton,Yu Wang,Xinzhi Ma,Yujia Tang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (1): 1600-1610
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c15035
摘要

The development of high-performance bifunctional single-atom catalysts for use in applications, such as zinc–air batteries, is greatly impeded by mild oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER). Herein, we report a bifunctional oxygen electrocatalyst designed to overcome these limitations. The catalyst consists of well-dispersed low-nuclearity Co clusters and adjacent Co single atoms over a nitrogen-doped carbon matrix (CoSA+C/NC). The precisely tailored asymmetric electronic structures are achieved with strong electronic interactions between these Co species. The Co clusters optimize the adsorption/desorption strength of oxygenated intermediates on single-atomic Co sites to endow exceptional activity under alkaline conditions with a half-wave potential (E1/2) of 0.91 V and an overpotential (η) of 340 mV at 10 mA cm–2. In addition, a zinc–air battery assembled with CoSA+C/NC achieves a high power density of 284.1 mW cm–2 and a long operational lifespan of 400 h, superior to those of the benchmark Pt/C + RuO2. Experimental findings and theoretical analysis reveal that the enhanced bifunctional activity stems from the synergistic interactions between Co clusters and single-atomic Co sites. Consequently, the overbinding of *OH is suppressed with accelerated *OH removal. This work establishes the design principle of advanced electrocatalysts with multiphase metal species bearing strong electronic interactions.
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