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Electron redistribution and proton transfer induced by atomically fully exposed Cu-O-Fe clusters coupled with single-atom sites for efficient oxygen electrocatalysis

材料科学 电催化剂 再分配(选举) 氧气 电子转移 质子 Atom(片上系统) 氧原子 电子 化学物理 原子物理学 光化学 物理化学 电极 分子 化学 电化学 物理 有机化学 量子力学 政治 政治学 计算机科学 法学 嵌入式系统
作者
Enze Zhu,Tianle Zheng,Jie Yu,Chaoyang Shi,Linxiang Zhou,Haodong Jin,Jirong Yang,Guangtao Luo,Danyang Wei,Xikun Yang,Mingli Xu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:69: 103410-103410 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103410
摘要

Single-atom catalysts have garnered significant attention by showing sparkling performance in the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) on the air cathode side of energy devices such as metal-air batteries and fuel cells. This work presents a novel catalyst, AC-CuFe-NC, that incorporates Fe-doped CuO atomic clusters (CuOFe) synergistically with single-atom sites. The AC-CuFe-NC demonstrates outstanding ORR performance (half-wave potential of 0.92 V) and an oxygen overpotential gap between ORR and OER as low as 0.61 V, which is among the top reported performances. Combined with in situ ATR-SEIRAS and DFT calculations, it is shown that the synergistic CuOFe atomic clusters are effective in inducing the electronic structure redistribution of the Fe single-atom site, modulating oxygen adsorption energy, and lowering ORR barriers. More importantly, it is revealed that the synergistic adsorption of clusters and single-atom sites establishes hydrogen bonds between the oxygenated intermediates and the electrolyte H2O molecules. The constructed hydrogen bond can provide a pathway for efficient proton transport as supported by kinetic isotope experiments, leading to a substantial enhancement in reaction kinetics. Additionally, the oxygenated intermediates are stabilized, and the Fe-O bond is elongated during the final step of ORR, thereby facilitating the desorption of OH*. The excellent bifunctional electrocatalytic performance of AC-CuFe-NC enable it to show promising application in rechargeable Zn-air batteries. The innovative catalyst structure and synergistic mechanism demonstrated in this study shed light on the development of high-performance catalysts in energy devices.
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