S‐Block Potassium Single‐atom Electrocatalyst with K−N4 Configuration Derived from K+/Polydopamine for Efficient Oxygen Reduction

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作者
Niankun Guo,Hui Xue,Rui Ren,Jing Sun,Tianshan Song,Hongliang Dong,Zhonglong Zhao,Jiangwei Zhang,Aiqin Wang,Lipeng Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (50) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/anie.202312409
摘要

Currently, single-atom catalysts (SACs) research mainly focuses on transition metal atoms as active centers. Due to their delocalized s/p-bands, the s-block main group metal elements are typically regarded as catalytically inert. Herein, an s-block potassium SAC (K-N-C) with K-N4 configuration is reported for the first time, which exhibits excellent oxygen reduction reaction (ORR) activity and stability under alkaline conditions. Specifically, the half-wave potential (E1/2 ) is up to 0.908 V, and negligible changes in E1/2 are observed after 10,000 cycles. In addition, the K-N-C offers an exceptional power density of 158.1 mW cm-2 and remarkable durability up to 420 h in a Zn-air battery. Density functional theory (DFT) simulations show that K-N-C has bifunctional active K and C sites, can optimize the free energy of ORR reaction intermediates, and adjust the rate-determining steps. The crystal orbital Hamilton population (COHP) results showed that the s orbitals of K played a major role in the adsorption of intermediates, which was different from the d orbitals in transition metals. This work significantly guides the rational design and catalytic mechanism research of s-block SACs with high ORR activity.
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