Asymmetric Atomic Tin Catalysts with Tailored p‐Orbital Electron Structure for Ultra‐Efficient Oxygen Reduction

材料科学 氧还原反应 催化作用 还原(数学) 电子 氧气 纳米技术 物理化学 冶金 电化学 化学 物理 生物化学 几何学 数学 有机化学 电极 量子力学
作者
Xuanni Lin,Xinqiang Zhang,Dong Liu,Lei Shi,Linjie Zhao,Yongde Long,Liming Dai
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202303740
摘要

Abstract Atomically dispersed transition metal–nitrogen–carbon (M–N–C) catalysts guide by the d‐band center theory have been extensively studied for oxygen reduction reaction (ORR) in various energy conversion and storage processes. However, asymmetric p‐block metal single‐atom catalysts (SACs) toward ORR have rarely been reported, and the origin of their catalytic activity is still unclear. Here, an asymmetric N, O coordinated Sn SAC is developed as an efficient ORR electrocatalyst. Remarkably, the optimized Sn SAC (e.g., Sn–N/O–C) exhibit outstanding ORR performance with a half‐wave potential of 0.910 V in alkaline media, outperforming most state‐of‐the‐art ORR catalysts. More importantly, the Sn–N/O–C possesses a long‐term durability in both alkaline and acidic electrolytes. Besides, Zn–air batteries based on the Sn–N/O–C cathode also show a higher energy density (254 mW cm ‐2 ) than that of their reported M–N–C counterparts. Theoretical calculations suggest that the asymmetric N, O coordinated atomic Sn sites have a stronger binding interaction with O 2 and better charge transfer ability compared with the symmetric SnN 4 sites, thereby facilitating the ORR process. This work provides a nitrogen‐, oxygen‐coordinated engineering strategy for the rational design of highly active and durable carbon‐based catalysts with atomic p‐block metal sites for ORR and beyond.
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