Orbital coupling of hetero-diatomic nickel-iron site for bifunctional electrocatalysis of CO2 reduction and oxygen evolution

双功能 催化作用 电催化剂 析氧 氧还原 氧气 联轴节(管道) 双原子分子 还原(数学) 化学 材料科学 化学物理 物理化学 电化学 分子 电极 冶金 有机化学 几何学 生物化学 数学
作者
Zhiping Zeng,Li Gan,Hong Bin Yang,Xiaozhi Su,Jiajian Gao,Wei Liu,Hiroaki Matsumoto,Jun Gong,Junming Zhang,Weizhen Cai,Zheye Zhang,Yibo Yan,Bin Liu,Peng Chen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1): 4088-4088 被引量:510
标识
DOI:10.1038/s41467-021-24052-5
摘要

While inheriting the exceptional merits of single atom catalysts, diatomic site catalysts (DASCs) utilize two adjacent atomic metal species for their complementary functionalities and synergistic actions. Herein, a DASC consisting of nickel-iron hetero-diatomic pairs anchored on nitrogen-doped graphene is synthesized. It exhibits extraordinary electrocatalytic activities and stability for both CO2 reduction reaction (CO2RR) and oxygen evolution reaction (OER). Furthermore, the rechargeable Zn-CO2 battery equipped with such bifunctional catalyst shows high Faradaic efficiency and outstanding rechargeability. The in-depth experimental and theoretical analyses reveal the orbital coupling between the catalytic iron center and the adjacent nickel atom, which leads to alteration in orbital energy level, unique electronic states, higher oxidation state of iron, and weakened binding strength to the reaction intermediates, thus boosted CO2RR and OER performance. This work provides critical insights to rational design, working mechanism, and application of hetero-DASCs.
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