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Axial Oxygen-Bridged Dual-Atom Sites Break the Activity–Stability Trade-Off in Oxygen Reduction Electrocatalysis

化学 吸附 电催化剂 催化作用 解吸 氧气 密度泛函理论 双层 析氧 化学工程 配体(生物化学) 无机化学 合作性 浸出(土壤学) 化学物理 纳米技术 功率密度 还原(数学) 电子结构 氧化还原 多相催化 组合化学
作者
Xue Wang,Youze Zeng,Kai Li,Xin Wang,Xiaolong Jia,Meiling Xiao,Changpeng Liu,Wei Xing,Jianbing Zhu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c00197
摘要

A pivotal challenge in advancing iron-nitrogen-carbon (Fe-N-C) catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is their inherent activity-stability trade-off, which originates from the conflicting requirements of strong Fe-N bonding and optimal intermediate adsorption on the Fe active sites. Guided by first-principles screening, we herein report that constructing an axial Fe-O-Co bridge within a bilayer M-N-C architecture concurrently addresses the optimization of intermediate adsorption energetics and dynamic Fe-N bond stability. The competitive adsorption from axial oxygen alleviates the issue of overstrong intermediate adsorption on the Fe site toward accelerated *OH desorption and boosted ORR kinetics. Simultaneously, the axial CoN4-O ligand serves as an electronic buffer to dynamically compensate for adsorption-induced electronic polarization, thereby stabilizing Fe-N bonds and suppressing iron leaching during electrocatalysis. As a proof of concept, the FeCo dual-atom catalyst featuring an FeN4-O-CoN4 configuration achieves a half-wave potential of 0.93 V in alkaline media, with only 8 mV decay after 140 000 cycles, far outperforming the Fe-N-C counterpart (53 mV decay). It maintains remarkable performance even in the highly challenging acidic electrolyte, delivering a peak power density of 1.12 W cm-2 and nearly 80% power density retention after 30 000 cycles. This study opens up a new avenue to break the activity-stability dilemma for M-N-C catalysts, advancing their practical deployment in fuel cells.
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