Regulating single-atom Mn sites by precisely axial pyridinic-nitrogen coordination to stabilize the oxygen reduction

催化作用 Atom(片上系统) 化学 氧气 金属 氧还原反应 吸附 电池(电) 氮气 无机化学 材料科学 物理化学 电极 热力学 有机化学 物理 功率(物理) 嵌入式系统 电化学 计算机科学
作者
Yuan Qin,Chaozhong Guo,Zihao Ou,Chuanlan Xu,Qi Lan,Rong Jin,Yao Liu,Yingchun Niu,Quan Xu,Yujun Si,Honglin Li
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:80: 542-552 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.01.048
摘要

Designing single-atom catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) are fashionable but challenging to boost the zinc-air battery performance. Significantly enhanced ORR activity by manganese (Mn) single-atom catalysts can be achieved by accurately regulating the coordination number of isolated Mn atoms. Theoretical calculations indicate that the single Mn-N5 sites possess lower free energy barrier and higher oxygen adsorption performance than single Mn-N4 sites to accelerate the ORR kinetics. Target to it, here we synthesize an atomically dispersed Mn-N5 catalyst by precisely axial coordination of pyridinic-N doped into two-dimensional (2D) porous nanocarbon sheets (∼3.56 nm thickness), which reveals outstanding catalytic activity and ultrahigh stability for the ORR in zinc-air battery owing to the inhomogeneous charge distribution of Mn-N5 sites compared to the conventional single-site Mn-N4 catalyst and Pt/C. This work gives a new strategy for in situ regulating the electronic structure of metal single-atoms and further promoting the overall ORR performance in energy systems.
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