Tailoring d‐p Orbital Hybridization to Decipher the Essential Effects of Heteroatom Substitution on Redox Kinetics

杂原子 化学 氧化还原 动力学 无机化学 有机化学 戒指(化学) 物理 量子力学
作者
Jian Zhao,Yuxiao Zhang,Zechao Zhuang,Yating Deng,Ge Gao,Jiayi Li,Alan Meng,Guicun Li,Lei Wang,Zhenjiang Li,Dingsheng Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1002/anie.202404968
摘要

Abstract The heteroatom substitution is considered as a promising strategy for boosting the redox kinetics of transition metal compounds in hybrid supercapacitors (HSCs) although the dissimilar metal identification and essential mechanism that dominate the kinetics remain unclear. It is presented that d‐p orbital hybridization between the metal and electrolyte ions can be utilized as a descriptor for understanding the redox kinetics. Herein, a series of Co, Fe and Cu heteroatoms are respectively introduced into Ni 3 Se 4 cathodes, among them, only the moderate Co‐substituted Ni 3 Se 4 can hold the optimal d‐p orbital hybridization resulted from the formed more unoccupied antibonding states π*. It inevitably enhances the interfacial charge transfer and ensures the balanced OH − adsorption‐desorption to accelerate the redox kinetics validated by the lowest reaction barrier (0.59 eV, matching well with the theoretical calculations). Coupling with the lower OH − diffusion energy barrier, the prepared cathode delivers ultrahigh rate capability (~68.7 % capacity retention even the current density increases by 200 times), and an assembled HSC also presents high energy/power density. This work establishes the principles for determining heteroatoms and deciphers the underlying effects of the heteroatom substitution on improving redox kinetics and the rate performance of battery‐type electrodes from a novel perspective of orbital‐scale manipulation.
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