Flexibility Tuning of Dual‐Metal S─Fe─Co─N5 Catalysts with O‐Axial Ligand Structure for Electrocatalytic Water Splitting

催化作用 材料科学 析氧 电化学 分解水 电催化剂 配体(生物化学) 电解质 金属 物理化学 化学工程 结晶学 电极 化学 冶金 光催化 工程类 生物化学 受体
作者
Hui Su,Shaojia Song,Ning Li,Yangqin Gao,Peng Li,Lei Ge,Tianyi Ma
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (41) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/aenm.202301547
摘要

Abstract The electrocatalytic performance of metal–nitrogen–carbon (M─N─C) single‐atom catalysts remains a significant challenge due to their rigid active center. Controllable tuning of the local microenvironment and electronic structure is critical for M─N─C single‐metal site catalysts in improving the electrochemical performance and exploring the reaction mechanism. Herein, Co─N 4 is selected as a benchmark among various M─N─C catalysts based on theoretical prediction and experimental studies. A dual‐metal S─Fe─Co─N 5 catalyst is constructed by embedding Fe and S into the structure of Co─N 4 motifs. Theoretical analysis and in situ characterizations illustrate that the active sites will in situ combine an O‐axial ligand to form S─Fe─Co─N 5 ─O structure during the oxygen evolution reaction (OER), which can reduce the reaction energy of O * →OOH * . The Ab Initio Molecular Dynamics simulations and deformation energy for H * /O * adsorption reveal that the Fe─Co and S─Fe bonds exhibit flexible characteristics compared to the Co/Fe─N bonds. This flexibility of S─Fe─Co─N 5 ─O structure facilitates the OER performance by reducing the OOH * →O 2 , which is the OER rate‐determining step, resulting in superior performance. The optimized S─Fe─Co─N 5 ─O catalyst exhibits excellent OER (260 mV@50 mA cm −2 ) and hydrogen evolution reaction (138 mV@10 mA cm −2 ) performance in alkaline electrolytes. The reported regulation strategy ameliorates the micro‐environment of Co─N 4 with tunable flexibility, which helps allow a basic comprehension of the electrochemical reaction mechanism.
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