Fe–Ni Conformational Self-Optimization Driven by Covalent Organic Polyemers for Superior Oxygen Electrocatalyts under Industrial-Level Current Densities

化学 氧气 共价键 电流(流体) 光化学 工作(物理) 悠氧 计算化学 化学物理 氧原子 物理化学 动态共价化学 动力学
作者
Tengge Chen,Xueli Li,Yiming Leng,Zhonghua Xiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (19): 19511-19521
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20332
摘要

Excellent dual-phase catalysts with spatially separated oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) sites offer great potential for high-efficiency zinc-air batteries (ZABs). However, weak interactions between interfaces and poor electron transfer severely degrade their activity and stability at industrial current densities. Here, we engineer a unique Fe–Ni bifunctional center by anchoring Ni–OH onto the pyridine N4 atoms of the second shell of COPBTC(Fe) and further reveal the self-reconstruction mechanism of the Fe–N4+4/Ni–OH interfacial structure. Theories reveal that when the Fe–N bond is stretched by 1.57% and the Ni–O bond is compressed by 3.83%, the increase in the state electron density of the Fe–Ni active site reduces the ORR/OER rate-determining step energy barrier. Furthermore, the anchoring dual-phase sites stabilize the metal center and suppress metal dissolution. The self-optimized COPBTC(Fe–Ni)strainOH provides an extremely low voltage gap ΔE = 0.547 V. After 20,000 ORR cycles and 40 h of OER operation at 100 mA cm–2, it still outperforms the benchmark Pt/C-IrO2. Furthermore, at an industrial current density (100 mA cm–2), its ZABs exhibit a 4-fold higher cycling stability than the original structure, providing a new possibility for the practical application of ZABs.
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