Rational design of heterogenized molecular phthalocyanine hybrid single-atom electrocatalyst towards two-electron oxygen reduction

催化作用 酞菁 电催化剂 法拉第效率 材料科学 合理设计 Atom(片上系统) 选择性 氧气 化学 光化学 纳米技术 物理化学 电化学 有机化学 电极 计算机科学 嵌入式系统
作者
Wenjun Fan,Zhiyao Duan,Wei Liu,Rashid Mehmood,Jiating Qu,Yucheng Cao,Xiangyang Guo,Jun Zhong,Fuxiang Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:86
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37066-y
摘要

Abstract Single-atom catalysts supported on solid substrates have inspired extensive interest, but the rational design of high-efficiency single-atom catalysts is still plagued by ambiguous structure determination of active sites and its local support effect. Here, we report hybrid single-atom catalysts by an axial coordination linkage of molecular cobalt phthalocyanine with carbon nanotubes for selective oxygen reduction reaction by screening from a series of metal phthalocyanines via preferential density-functional theory calculations. Different from conventional heterogeneous single-atom catalysts, the hybrid single-atom catalysts are proven to facilitate rational screening of target catalysts as well as understanding of its underlying oxygen reduction reaction mechanism due to its well-defined active site structure and clear coordination linkage in the hybrid single-atom catalysts. Consequently, the optimized Co hybrid single-atom catalysts exhibit improved 2e − oxygen reduction reaction performance compared to the corresponding homogeneous molecular catalyst in terms of activity and selectivity. When prepared as an air cathode in an air-breathing flow cell device, the optimized hybrid catalysts enable the oxygen reduction reaction at 300 mA cm −2 exhibiting a stable Faradaic efficiency exceeding 90% for 25 h.
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