Metalloid‐Cluster Ligands Enabling Stable and Active FeN4‐Ten Motifs for the Oxygen Reduction Reaction

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作者
Bifa Ji,Jiali Gou,Yongping Zheng,Xiaolong Zhou,Pinit Kidkhunthod,Yehai Wang,Qingyun Tang,Yongbing Tang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (28) 被引量:54
标识
DOI:10.1002/adma.202202714
摘要

In nature, the oxygen reduction reaction (ORR) is catalyzed by cytochrome P450 (CYP) enzymes containing heme iron centers with an axial thiolate ligand (FeN4 -S), which are among the most finely developed catalysts by natural selection. However, the exceptional ORR activity and selectivity of CYP enzymes originate from their non-rigid and self-adaptive coordination network with molecular ligands, which sacrifices the stability of the active motifs under electrochemical reaction conditions. Here, a design strategy to circumvent this dilemma by incorporating Fe-N4 motifs into carbon matrices instead of the protein scaffold and replacing the axial molecular thiolate ligand with a stable tellurium cluster (Ten ) is demonstrated. Theoretical calculations indicate a moderate interaction between Fe 3d and Te 5p orbitals once n > 2, allowing the FeTe bond to dynamically change its strength to adaptively facilitate the intermediate steps during the ORR process, which renders FeN4 -Ten active sites with superior ORR activity. This adaptive behavior mimics the conformational dynamics of an enzyme during the reaction, but retains the stability nature as a heterogeneous catalyst. The experiments validate that the as-designed catalyst with a characterized FeN4 -Ten structure outperforms the commercial Pt/C catalyst both on activity and stability.

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