Modulating Electronic Structures of Iron Clusters through Orbital Rehybridization by Adjacent Single Copper Sites for Efficient Oxygen Reduction

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作者
Chunhong Qi,Haoyu Yang,Ziqi Sun,Haifeng Wang,Na Xu,Guihua Zhu,Lianjun Wang,Wan Jiang,Xiqian Yu,Xiaopeng Li,Qi Xiao,Pengpeng Qiu,Wei Luo
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (39): e202308344-e202308344 被引量:103
标识
DOI:10.1002/anie.202308344
摘要

The atom-cluster interaction has recently been exploited as an effective way to increase the performance of metal-nitrogen-carbon catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). However, the rational design of such catalysts and understanding their structure-property correlations remain a great challenge. Herein, we demonstrate that the introduction of adjacent metal (M)-N4 single atoms (SAs) could significantly improve the ORR performance of a well-screened Fe atomic cluster (AC) catalyst by combining density functional theory (DFT) calculations and experimental analysis. The DFT studies suggest that the Cu-N4 SAs act as a modulator to assist the O2 adsorption and cleavage of O-O bond on the Fe AC active center, as well as optimize the release of OH* intermediates to accelerate the whole ORR kinetic. The depositing of Fe AC with Cu-N4 SAs on nitrogen doped mesoporous carbon nanosheet are then constructed through a universal interfacial monomicelles assembly strategy. Consistent with theoretical predictions, the resultant catalyst exhibits an outstanding ORR performance with a half-wave potential of 0.92 eV in alkali and 0.80 eV in acid, as well as a high power density of 214.8 mW cm-2 in zinc air battery. This work provides a novel strategy for precisely tuning the atomically dispersed poly-metallic centers for electrocatalysis.
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