Importing Antibonding‐Orbital Occupancy through Pd−O−Gd Bridge Promotes Electrocatalytic Oxygen Reduction

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作者
Shuwang Ning,Meng Li,Xuan Wang,Di Zhang,Baiyu Zhang,Caikang Wang,Dongmei Sun,Yawen Tang,Hao Li,Kang Sun,Gengtao Fu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (52) 被引量:40
标识
DOI:10.1002/anie.202314565
摘要

The active-site density, intrinsic activity, and durability of Pd-based materials for oxygen reduction reaction (ORR) are critical to their application in industrial energy devices. This work constructs a series of carbon-based rare-earth (RE) oxides (Gd2 O3 , Sm2 O3 , Eu2 O3 , and CeO2 ) by using RE metal-organic frameworks to tune the ORR performance of the Pd sites through the Pd-REx Oy interface interaction. Taking Pd-Gd2 O3 /C as a representative, it is identified that the strong coupling between Pd and Gd2 O3 induces the formation of the Pd-O-Gd bridge, which triggers charge redistribution of Pd and Gd2 O3 . The screened Pd-Gd2 O3 /C exhibits impressive ORR performance with high onset potential (0.986 VRHE ), half-wave potential (0.877 VRHE ), and excellent stability. Similar ORR results are also found for Pd-Sm2 O3 /C, Pd-Eu2 O3 /C, and Pd-CeO2 /C catalysts. Theoretical analyses reveal that the coupling between Pd and Gd2 O3 promotes electron transfer through the Pd-O-Gd bridge, which induces the antibonding-orbital occupancy of Pd-*OH for the optimization of *OH adsorption in the rate-determining step of ORR. The pH-dependent microkinetic modeling shows that Pd-Gd2 O3 is close to the theoretical optimal activity for ORR, outperforming Pt under the same conditions. By its ascendancy in ORR, the Pd-Gd2 O3 /C exhibits superior performance in Zn-air battery as an air cathode, implying its excellent practicability.
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