Atomically Regulated Symmetry‐Breaking Sulfur‐Bridged Dual Iron Sites Catalyst for High‐Performance Oxygen Reduction Reaction

催化作用 共价键 电负性 电催化剂 吸附 化学 电子转移 氧气 活动站点 Atom(片上系统) 无机化学 密度泛函理论 材料科学 氧化还原 光化学 氧原子 阴极 电子结构 限制 氧还原反应 化学工程 活动中心 反应中间体 反应机理 纳米技术 结晶学 电子效应 部分 多相催化
作者
RC Li,Ji Shen,Quanlei Ma,Shuyan Guan,Yaowu Luo,Jie Yang,Y F Zhang,S S Wang,D WANG
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.8655767
摘要

ABSTRACT Single‐atom catalysts featuring metal‐N 4 moieties hold great promise for promoting oxygen reduction reaction (ORR). However, their symmetric active sites often lead to suboptimal electronic structure and intermediate adsorption, thereby limiting intrinsic ORR performance. In this work, we construct a symmetry‐breaking dual‐atom site catalyst featuring Fe–S–Fe moieties (Fe 2 –S@NHCS) through precise modulation of the coordination environment and electronic structure. The interaction between adjacent Fe atoms and the bridging S atom endows the catalyst with a high half‐wave potential of 0.912 V and a turnover frequency of 1.45 s −1 at 0.85 V, significantly surpassing other Fe‐based catalysts. There is no significant performance degradation after 20,000 CV cycles or 100,000 s continuous testing. Combined theoretical and in situ spectroscopic analyses reveal that adjacent dual Fe atoms act as the active center to parallel adsorb oxygen molecule. Owing to the relatively low electronegativity of S, electron transfer from Fe to O 2 is enhanced, resulting in stronger covalent bonding and lower adsorption energy. Zinc–air batteries employing Fe 2 –S@NHCS as the cathode catalyst demonstrate high power density of 210.66 mW cm −2 and excellent stability over 900 charge–discharge cycling. This catalyst offers new insights into the design of atomic‐scale catalysts and highlights their potential for electrocatalysis applications.
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