Spin occupancy regulation of the Pt d-orbital for a robust low-Pt catalyst towards oxygen reduction

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作者
Dongping Xue,Yifang Yuan,Yue Yu,Siran Xu,Yifan Wei,Jiaqi Zhang,Haizhong Guo,Minhua Shao,Jianan Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:61
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50332-x
摘要

Abstract Disentangling the limitations of O-O bond activation and OH* site-blocking effects on Pt sites is key to improving the intrinsic activity and stability of low-Pt catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). Herein, we integrate of PtFe alloy nanocrystals on a single-atom Fe-N-C substrate (PtFe@Fe SAs -N-C) and further construct a ferromagnetic platform to investigate the regulation behavior of the spin occupancy state of the Pt d -orbital in the ORR. PtFe@Fe SAs -N-C delivers a mass activity of 0.75 A mg Pt −1 at 0.9 V and a peak power density of 1240 mW cm −2 in the fuel-cell, outperforming the commercial Pt/C catalyst, and a mass activity retention of 97%, with no noticeable current drop at 0.6 V for more than 220 h, is attained. Operando spectroelectrochemistry decodes the orbital interaction mechanism between the active center and reaction intermediates. The Pt dz 2 orbital occupation state is regulated to t 2g 6 e g 3 by spin-charge injection, suppressing the OH* site-blocking effect and effectively inhibiting H 2 O 2 production. This work provides valuable insights into designing high-performance and low-Pt catalysts via spintronics-level engineering.
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