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Integrating Spin‐Promotion Effect With Accelerated Proton‐Coupled Electron Transfer in Nanoreactor for Enhanced Oxygen Electroreduction

纳米反应器 材料科学 电子转移 催化作用 密度泛函理论 氧气 化学工程 介观物理学 介孔材料 析氧 解吸 纳米技术 化学物理 电催化剂 氧还原反应 电子结构 碳纤维 电池(电) 工作(物理) 吸附 功率密度 氧化还原 钙钛矿(结构) 光谱学 纳米工程 氧还原
作者
Yue Huang,Lingli Liu,Liansheng Lan,Yonggan Wu,Ting Hu,Binbing Tang,唐少斌,Dirk Lüzenkirchen‐Hecht,Kai Yuan,Yuehua Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.76319
摘要

ABSTRACT Single‐atom catalysts maximize atomic utilization for the oxygen reduction reaction (ORR), yet their performance is hindered by sluggish proton‐coupled electron transfer (PCET) processes and inefficient mass transport. To overcome these limitations, we design a mesopore‐dominant sulfur‐doped iron single‐atom carbon nanoreactor (Fe/S‐SACNR), which synergistically optimizes the atomic coordination environment and hierarchical porosity. The Fe single atoms, anchored in a Fe 1 N 4 S 1 configuration, exhibit tailored electronic asymmetry that fine‐tunes oxygen intermediate adsorption and accelerates ORR kinetics. Combined with a cellular‐inspired mesoporous framework, Fe/S‐SACNR ensures exceptional mass transport, mesochannel confinement effects locally enrich oxygen concentration, and near‐complete active‐site accessibility (97.2%, density: 7.27 × 10 20 sites g −1 ). Density functional theory and in situ spectroscopy reveal the critical role of S‐coordination in modulating the Fe spin state to optimize *OH desorption and promote PCET during ORR. The Fe/S‐SACNR achieves a half‐wave potential of 0.925 V in alkaline media and drives zinc‐air batteries to a peak power density of 334.09 mW cm −2 with ultralong stability (>1000 h). Furthermore, an ampere‐hour‐scale battery (2.6 Ah capacity) operates stably for >48 h at 0.5 A, highlighting practical viability. This work demonstrates a dual‐regulation strategy—bridging atomic‐scale electronic engineering and mesoscopic structural design—to advance high‐performance ORR catalysts for energy applications.
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