Substrate strain tunes operando geometric distortion and oxygen reduction activity of CuN2C2 single-atom sites

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作者
Guang Han,Xue Zhang,Wei Liu,Qinghua Zhang,Zhiqiang Wang,Jun Cheng,Takeshi Yao,Lin Gu,Chunyu Du,Yunzhi Gao,Geping Yin
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:96
标识
DOI:10.1038/s41467-021-26747-1
摘要

Single-atom catalysts are becoming increasingly significant to numerous energy conversion reactions. However, their rational design and construction remain quite challenging due to the poorly understood structure-function relationship. Here we demonstrate the dynamic behavior of CuN2C2 site during operando oxygen reduction reaction, revealing a substrate-strain tuned geometry distortion of active sites and its correlation with the activity. Our best CuN2C2 site, on carbon nanotube with 8 nm diameter, delivers a sixfold activity promotion relative to graphene. Density functional theory and X-ray absorption spectroscopy reveal that reasonable substrate strain allows the optimized distortion, where Cu bonds strongly with the oxygen species while maintaining intimate coordination with C/N atoms. The optimized distortion facilitates the electron transfer from Cu to the adsorbed O, greatly boosting the oxygen reduction activity. This work uncovers the structure-function relationship of single-atom catalysts in terms of carbon substrate, and provides guidance to their future design and activity promotion.
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