A High‐Entropy Single‐Atom Catalyst Toward Oxygen Reduction Reaction in Acidic and Alkaline Conditions

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作者
Mohsen Tamtaji,Min Gyu Kim,Jun Wang,Patrick Ryan Galligan,Haoyu Zhu,Faan‐Fung Hung,Zhihang Xu,Ye Zhu,Zhengtang Luo,William A. Goddard,GuanHua Chen
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (26): e2309883-e2309883 被引量:65
标识
DOI:10.1002/advs.202309883
摘要

The design of high-entropy single-atom catalysts (HESAC) with 5.2 times higher entropy compared to single-atom catalysts (SAC) is proposed, by using four different metals (FeCoNiRu-HESAC) for oxygen reduction reaction (ORR). Fe active sites with intermetallic distances of 6.1 Å exhibit a low ORR overpotential of 0.44 V, which originates from weakening the adsorption of OH intermediates. Based on density functional theory (DFT) findings, the FeCoNiRu-HESAC with a nitrogen-doped sample were synthesized. The atomic structures are confirmed with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption (XAS), and scanning transmission electron microscopy (STEM). The predicted high catalytic activity is experimentally verified, finding that FeCoNiRu-HESAC has overpotentials of 0.41 and 0.37 V with Tafel slopes of 101 and 210 mVdec-1 at the current density of 1 mA cm-2 and the kinetic current densities of 8.2 and 5.3 mA cm-2, respectively, in acidic and alkaline electrolytes. These results are comparable with Pt/C. The FeCoNiRu-HESAC is used for Zinc-air battery applications with an open circuit potential of 1.39 V and power density of 0.16 W cm-2. Therefore, a strategy guided by DFT is provided for the rational design of HESAC which can be replaced with high-cost Pt catalysts toward ORR and beyond.
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