Spin occupancy regulation of the Pt d-orbital for a robust low-Pt catalyst towards oxygen reduction

自旋电子学 催化作用 轨道能级差 自旋态 活动站点 基质(水族馆) 化学 纳米技术 材料科学 物理 铁磁性 无机化学 分子 凝聚态物理 有机化学 海洋学 地质学
作者
Dongping Xue,Yifang Yuan,Yue Yu,Siran Xu,Yifan Wei,Jiaqi Zhang,Haizhong Guo,Minhua Shao,Jianan Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:23
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50332-x
摘要

Abstract Disentangling the limitations of O-O bond activation and OH* site-blocking effects on Pt sites is key to improving the intrinsic activity and stability of low-Pt catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). Herein, we integrate of PtFe alloy nanocrystals on a single-atom Fe-N-C substrate (PtFe@Fe SAs -N-C) and further construct a ferromagnetic platform to investigate the regulation behavior of the spin occupancy state of the Pt d -orbital in the ORR. PtFe@Fe SAs -N-C delivers a mass activity of 0.75 A mg Pt −1 at 0.9 V and a peak power density of 1240 mW cm −2 in the fuel-cell, outperforming the commercial Pt/C catalyst, and a mass activity retention of 97%, with no noticeable current drop at 0.6 V for more than 220 h, is attained. Operando spectroelectrochemistry decodes the orbital interaction mechanism between the active center and reaction intermediates. The Pt dz 2 orbital occupation state is regulated to t 2g 6 e g 3 by spin-charge injection, suppressing the OH* site-blocking effect and effectively inhibiting H 2 O 2 production. This work provides valuable insights into designing high-performance and low-Pt catalysts via spintronics-level engineering.
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