Insights into the activity of single-atom Fe-N-C catalysts for oxygen reduction reaction

催化作用 氧还原反应 还原(数学) Atom(片上系统) 氧气 氧原子 化学 氧还原 物理化学 生物化学 并行计算 分子 数学 电化学 有机化学 电极 几何学 计算机科学
作者
Kang Liu,Junwei Fu,Yiyang Lin,Tao Luo,Ganghai Ni,Hongmei Li,Zhang Lin,Min Liu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1): 2075-2075 被引量:513
标识
DOI:10.1038/s41467-022-29797-1
摘要

Abstract Single-atom Fe-N-C catalysts has attracted widespread attentions in the oxygen reduction reaction (ORR). However, the origin of ORR activity on Fe-N-C catalysts is still unclear, which hinder the further improvement of Fe-N-C catalysts. Herein, we provide a model to understand the ORR activity of Fe-N 4 site from the spatial structure and energy level of the frontier orbitals by density functional theory calculations. Taking the regulation of divacancy defects on Fe-N 4 site ORR activity as examples, we demonstrate that the hybridization between Fe 3 dz 2 , 3 dyz (3 dxz ) and O 2 π* orbitals is the origin of Fe-N 4 ORR activity. We found that the Fe–O bond length, the d-band center gap of spin states, the magnetic moment of Fe site and *O 2 as descriptors can accurately predict the ORR activity of Fe-N 4 site. Furthermore, these descriptors and ORR activity of Fe-N 4 site are mainly distributed in two regions with obvious difference, which greatly relate to the height of Fe 3 d projected orbital in the Z direction. This work provides a new insight into the ORR activity of single-atom M-N-C catalysts.
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