Engineering CoN4 and FeN4 Dual Sites with Adjacent Nanoclusters on Flexible Porous Carbon Fibers for Enhanced Electrocatalytic Oxygen Reduction and Evolution

材料科学 纳米团簇 多孔性 氧还原 对偶(语法数字) 氧还原反应 氧气 碳纤维 析氧 化学工程 纳米技术 复合材料 电化学 复合数 电极 物理化学 有机化学 化学 艺术 工程类 文学类
作者
Zhe Lü,Zhe Wang,Zhenbei Yang,Xiaoyan Jin,Tong Li,RuoJie Xu,Ke‐Xin Kong,Yifan Zhang,Yong Wang,Yipu Liu,Linxing Meng,Zhijuan Pan,Seong‐Ju Hwang,Liang Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (16) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/adfm.202418489
摘要

Abstract Dual‐atom catalysts (DACs) possess tunable electronic structures and efficient atom utilization, making them highly promising for catalyzing the oxygen reduction reaction/oxygen evolution reaction (ORR/OER). However, achieving high catalytic activity and stability for both ORR and OER in DACs remains a challenge. Herein, a flexible membrane of porous carbon fiber anchored with atomically scattered CoN 4 /FeN 4 dual sites and adjacent Co 2 Fe 2 /Fe 5 nanoclusters (Co, Fe‐DACs/NCs@PCF) is synthesized. The local geometry and electronic structure of the CoN 4 /FeN 4 sites, which act as reaction centers for ORR/OER, are finely regulated by the neighboring Co 2 Fe 2 /Fe 5 nanoclusters. This unique structure imparts Co, Fe‐DACs/NCs@PCF with exceptional activity and durability toward ORR/OER, outperforming the performance of single‐atom catalysts containing only CoN 4 or FeN 4 sites, as well as commercial Pt/C and RuO 2 catalysts. Zinc–air battery employing a Co, Fe‐DACs/NCs@PCF cathode exhibits outstanding stability, maintaining cyclability for over 1500 h, outperforming a Pt/C + RuO 2 air cathode. Theoretical calculations highlight distinct synergies between Fe 5 (Co 2 Fe 2 ) clusters and FeN 4 (CoN 4 ) sites, which optimize the coupling strength of Fe(Co)─OH at the potential‐determining steps and thus improve ORR (OER) catalytic kinetics. This study lays a theoretical and practical foundation for rational design of heterostructure catalysts featuring coexisting DACs and nanoclusters within porous carbon fibers.
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