Mechanistic insight into the active centers of single/dual-atom Ni/Fe-based oxygen electrocatalysts

过电位 催化作用 析氧 材料科学 活动站点 脱质子化 氧气 电子转移 化学 氧化还原 光化学 电化学 金属 无机化学 物理化学 有机化学 冶金 离子 生物化学 电极
作者
Wenchao Wan,Yonggui Zhao,Shiqian Wei,Carlos A. Triana,Jingguo Li,Andrea Arcifa,Christopher S. Allen,Rui Cao,Greta R. Patzke
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:269
标识
DOI:10.1038/s41467-021-25811-0
摘要

Abstract Single-atom catalysts with maximum metal utilization efficiency show great potential for sustainable catalytic applications and fundamental mechanistic studies. We here provide a convenient molecular tailoring strategy based on graphitic carbon nitride as support for the rational design of single-site and dual-site single-atom catalysts. Catalysts with single Fe sites exhibit impressive oxygen reduction reaction activity with a half-wave potential of 0.89 V vs. RHE. We find that the single Ni sites are favorable to promote the key structural reconstruction into bridging Ni-O-Fe bonds in dual-site NiFe SAC. Meanwhile, the newly formed Ni-O-Fe bonds create spin channels for electron transfer, resulting in a significant improvement of the oxygen evolution reaction activity with an overpotential of 270 mV at 10 mA cm −2 . We further reveal that the water oxidation reaction follows a dual-site pathway through the deprotonation of *OH at both Ni and Fe sites, leading to the formation of bridging O 2 atop the Ni-O-Fe sites.
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