Boosting the Acidic Oxygen Reduction Activity of p‐Block Single‐Atomic Catalyst via p–p Orbital Coupling and Pore Engineering

催化作用 电催化剂 化学 密度泛函理论 电化学 电子转移 氧气 电极 物理化学 计算化学 有机化学
作者
Hu Wang,Yongjian Zhao,Jun Li,Xiaosha Wang,Murong Huang,Lei Zhang,Chenyang Zhao
出处
期刊:Small structures [Wiley]
卷期号:4 (9) 被引量:6
标识
DOI:10.1002/sstr.202300007
摘要

Atomically dispersed main group element single‐atom catalysts (SACs) have recently attracted increasing attention in electrocatalysis. However, their performances in acidic oxygen reduction reaction (ORR) remain unsatisfactory owing to the suboptimal coordination environment, limited mass transfer, and active site exposure. Herein, a series of p ‐block Sn SACs with hierarchical pore structures are prepared by a dual melting salt‐mediated soft template method. By deliberately regulating the pore structures, highly exposed Sn active sites with N/O coordination are obtained, which endow SnN 3 O‐50 with exceptional ORR performances, especially in acidic medium. The half‐wave potential of SnN 3 O‐50 is up to 0.816 V, with a loss of only 15 mV after 10 000 potential cycles. Furthermore, the peak power densities of the fuel cell and zinc–air battery assembled using SnN 3 O‐50 as cathodes reach 502 and 173.5 mW cm −2 , respectively, demonstrating great potential for practical applications. Density functional theory (DFT) calculations reveal that the N/O coordination of Sn induces localization of 5 p electrons, which leads to strong coupling with the p orbit of O 2 . Meanwhile, the presence of defects synergistically regulates the adsorption of reaction intermediates, thereby optimizing the free energy of the four successive ORR steps.
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