Tailoring Spin State of Perovskite Oxides by Fluorine Atom Doping for Efficient Oxygen Electrocatalysis

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作者
Jiaqi Ran,Linchuan Wang,Mingsu Si,Xiaolei Liang,Daqiang Gao
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (10) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202206367
摘要

Promoting the initially deficient but economical catalysts to high-performing competitors is important for developing superior catalysts. Unlike traditional nano-morphology construction methods, this work focuses on intrinsic catalytic activity enhancement via heteroatom doping strategies to induce lattice distortion and optimize spin-dependent orbital interaction to alter charge transfer between catalysts and reactants. Experimentally, a series of different concentrations of fluorine-doped lanthanum cobaltate (Fx -LaCoO3 ) exhibiting excellent electrocatalytic activity is synthesized, including a low overpotential of 390 mV at j = 10 mA cm-2 for OER and a large half-wave potential of 0.68 V for ORR. Meanwhile, the assembled rechargeable Zn-air batteries deliver an excellent performance with a large specific capacity of 811 mAh/gZn under 10 mA cm-2 and stability of charge/recharge (120 h). Theoretically, taking advantage of density functional theory calculations, it is found that the prominent OER/ORR performance arises from the spin state transition of Co3+ (Low spin state (LS, t2g6 eg0 ) → Intermediate spin state (IS, t2g5 eg1 ) and the mediated d-band center upshift by F atom incorporation. This work establishes a novel avenue for designing superior electrocatalysts in perovskite-based oxides by regulating spin states.
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