Cascaded orbital–oriented hybridization of intermetallic Pd 3 Pb boosts electrocatalysis of Li-O 2 battery

轨道杂交 反键分子轨道 金属间化合物 过电位 分子轨道 析氧 化学 非键轨道 原子轨道 物理化学 电极 分子轨道理论 物理 电子 电化学 量子力学 分子 有机化学 合金
作者
Yin Zhou,Qianfeng Gu,Kun Yin,Tao Lü,Yiju Li,Hao Tan,Yong Yang,Shaojun Guo
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (25) 被引量:16
标识
DOI:10.1073/pnas.2301439120
摘要

Catalysts with a refined electronic structure are highly desirable for promoting the oxygen evolution reaction (OER) kinetics and reduce the charge overpotentials for lithium-oxygen (Li-O2) batteries. However, bridging the orbital interactions inside the catalyst with external orbital coupling between catalysts and intermediates for reinforcing OER catalytic activities remains a grand challenge. Herein, we report a cascaded orbital-oriented hybridization, namely alloying hybridization in intermetallic Pd3Pb followed by intermolecular orbital hybridization between low-energy Pd atom and reaction intermediates, for greatly enhancing the OER electrocatalytic activity in Li-O2 battery. The oriented orbital hybridization in two axes between Pb and Pd first lowers the d band energy level of Pd atoms in the intermetallic Pd3Pb; during the charging process, the low-lying 4dxz/yz and 4dz2 orbital of the Pd further hybridizes with 2π* and 5σ orbitals of lithium superoxide (LiO2) (key reaction intermediate), eventually leading to lower energy levels of antibonding and, thus, weakened orbital interaction toward LiO2. As a consequence, the cascaded orbital-oriented hybridization in intermetallic Pd3Pb considerably decreases the activation energy and accelerates the OER kinetics. The Pd3Pb-based Li-O2 batteries exhibit a low OER overpotential of 0.45 V and superior cycle stability of 175 cycles at a fixed capacity of 1,000 mAh g-1, which is among the best in the reported catalysts. The present work opens up a way for designing sophisticated Li-O2 batteries at the orbital level.
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