Spin state modulation on dual Fe center by adjacent Ni sites enabling the boosted activities and ultra-long stability in Zn-air batteries

催化作用 材料科学 自旋态 自旋(空气动力学) 金属 Atom(片上系统) 纳米技术 化学 无机化学 物理 热力学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统 冶金
作者
Canhui Zhang,Xingkun Wang,Zhentao Ma,Hanxu Yao,Hengjun Liu,Li Cheng,Jian Zhou,Ren Xu,Xusheng Zheng,Huanlei Wang,Qiang Li,Meng Gu,Heqing Jiang,Minghua Huang
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:68 (18): 2042-2053 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.07.049
摘要

Breakthrough in developing cost-effective Fe-based catalysts with superior oxygen reduction reaction (ORR) activities and ultra-long-term stability for application in Zn-air batteries (ZABs) remain a priority but still full of challenges. Herein, the neighboring NiN4 single-metal-atom and Fe2N5 dual-metal-atoms on the N-doped hollow carbon sphere (Fe/Ni-NHCS) were deliberately constructed as the efficient and robust ORR catalyst for ZABs. Both theory calculations and magnetic measurements demonstrate that the introduction of NiN4 provides a significant role on optimizing the electron spin state of Fe2N5 sites and reducing the energy barrier for the adsorption and conversion of the oxygen-containing intermediates, enabling the Fe/Ni-NHCS with excellent ORR performance and ultralow byproduct HO2− yield (0.5%). Impressively, the ZABs driven by Fe/Ni-NHCS exhibit unprecedented long-term rechargeable stability over 1200 h. This work paves a new venue to manipulate the spin state of active sites for simultaneously achieving superior catalytic activities and ultra-long-term stability in energy conversion technologies.
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