​任祥忠/张雷/孙学良Small: Ru-N降低Fe位点的d带中心,提高电催化氧还原性能

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氧还原反应(ORR)在可持续能量转换和储存技术(如金属空气电池、燃料电池、氢氧电化学生产等)中起着关键作用,并且基于金属-N4的单原子催化剂是氧还原反应(ORR)的有效的催化剂。然而,由于M-N-C催化剂对氧的吸附较差,催化剂的性能还远低于理想状态。


基于此,深圳大学任祥忠张雷西安大略大学孙学良等将相邻的Fe-N4和Ru-N4位点锚定到氮掺杂碳骨架中,以调整ORR中间体在Fe/N/C催化剂中Fe-N4位点的吸附强度。
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具体而言,所制备的FeN4/RuN4催化剂在碱性电解液中具有较高的ORR催化活性(E1/2=0.958 VRHE,动力学电流密度(Jk)为28.57 mA cm−2),远远超过FeN4(0.87 VRHE)和RuN4(0.8 VRHE)。
结合物理表征和理论计算表明,相邻原子分散的Ru-N位点可以降低Fe位点的d带中心,削弱Fe-O的结合亲和力,从而减弱氧中间体(OH*)在FeN4位点上的吸附,最终提高氧还原活性。
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针对FeN4/RuN4对ORR的优异电催化性能,研究人员采用FeN4/RuN4催化剂作为锌-空气电池(ZAB)的阴极催化剂。
该电池显示出1.56 V的高稳定开路电压,接近理论值1.65 V;其在电流密度为313.1 mA cm−2时提供了219.5 mW cm−2的峰值功率密度,远高于ZAB-Pt/C (208.8 mW cm−2)。
此外,该ZAB在5 mA cm−2下循环2350 h后,充放电电压间隙基本保持不变,而Pt/C电压间隙明显增大(< 750 h)。以上结果揭示了FeN4/RuN4作为水基锌-空气电池阴极催化剂的优异活性和耐久性。
总的来说,该项研究不仅为调整单原子催化剂的电子结构提供了新的策略,而且突出了对双金属甚至多金属原子协同增强ORR催化行为的基本理解。
Engineering Energy Level of FeN4 Sites via Dual-Atom Site Construction Toward Efficient Oxygen Reduction. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205283




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