Regulating d‐Orbital Hybridization of Subgroup‐IVB Single Atoms for Efficient Oxygen Reduction Reaction

材料科学 氧还原反应 氧气 还原(数学) 氧原子 纳米技术 物理化学 分子 化学 有机化学 电化学 几何学 数学 电极
作者
Xue Zhao,Yong Sun,Jinming Wang,Anmin Nie,Guo-Dong Zou,Liqun Ren,Jing Wang,Yong Wang,Carlos Fernandez,Qiuming Peng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202312117
摘要

Abstract Highly active single‐atom electrocatalysts for the oxygen reduction reaction are crucial for improving the energy conversion efficiency, but they suffer from a limited choice of metal centers and unsatisfactory stabilities. Here we report that optimization of the binding energies for reaction intermediates by tuning the d ‐orbital hybridization with axial groups converts inactive subgroup‐IVB (Ti, Zr, Hf) moieties (MN 4 ) into active motifs (MN 4 O), as confirmed with theoretical calculations. The competition between metal‐ligand covalency and metal‐intermediate covalency affects the d‐p orbital hybridization between the metal site and the intermediates, converting the metal centres into active sites. Subsequently, dispersed single‐atom M sites coordinated by nitrogen/oxygen groups have been prepared on graphene (s‐M‐N/O‐C) catalysts on a large‐scale with high‐energy milling and pyrolysis. Impressively, the s‐Hf‐N/O‐C catalyst with 5.08 wt.% Hf exhibited a half‐wave potential of 0.920 V and encouraging performance in a zinc‐air battery with an extraordinary cycling life of over 1,600 h and a large peak power‐density of 256.9 mW cm −2 . This work provides promising single‐atom electrocatalysts and principles for preparing other catalysts for the oxygen reduction reaction. This article is protected by copyright. All rights reserved
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