Tuning the Site-to-Site Interaction in Ru–M (M = Co, Fe, Ni) Diatomic Electrocatalysts to Climb up the Volcano Plot of Oxygen Electroreduction

双原子分子 催化作用 双功能 氧气 过渡金属 化学 电催化剂 金属 材料科学 电极 无机化学 物理化学 纳米技术 电化学 分子 冶金 生物化学 有机化学
作者
Mengjie Liu,Hoje Chun,Tsung-Cheng Yang,Sung Jun Hong,Chia-Min Yang,Byungchan Han,Yoon Suk Lee
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 10657-10666 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c02324
摘要

The modulating of the geometric and electronic structures of metal-N-C atomic catalysts for improving their performance in catalyzing oxygen reduction reactions (ORRs) is highly desirable yet challenging. We herein report a delicate "encapsulation-substitution" strategy for the synthesis of paired metal sites in N-doped carbon. With the regulation of the d-orbital energy level, a significant increment in oxygen electroreduction activity was demonstrated in Ru-Co diatomic catalyst (DAC) compared with other diatomic (Ru-Fe and Ru-Ni) and single-atomic counterparts. The Ru-Co DAC efficiently reduces oxygen with a halfwave potential of 0.895 V vs RHE and a turnover frequency of 2.424 s-1 at 0.7 V, establishing optimal thermodynamic and kinetic behaviors in the triple-phase reaction under practical conditions. Moreover, the Ru-Co DAC electrode displays bifunctional activity in a gas diffusion Zn-air battery with a small voltage gap of 0.603 V, outperforming the commercial Pt/C|RuO2 catalyst. Our findings provide a clear understanding of site-to-site interaction on ORR and a benchmark evaluation of atomic catalysts with correlations of diatomic structure, energy level, and overall catalytic performance at the subnanometer level.
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