Collective Effect in a Multicomponent Ensemble Combining Single Atoms and Nanoparticles for Efficient and Durable Oxygen Reduction

催化作用 纳米颗粒 氧还原 耐久性 氧还原反应 密度泛函理论 金属 贵金属 材料科学 纳米技术 计算化学 化学 电极 物理化学 有机化学 电化学 复合材料
作者
Xiaochun Xu,Xinyi Li,Wenting Lu,Xiaoyuan Sun,Hong Huang,Xiaoqiang Cui,Lu Li,Xiaoxin Zou,Weitao Zheng,Xiao Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (15) 被引量:34
标识
DOI:10.1002/anie.202400765
摘要

Abstract Metal single‐atom catalysts represent one of the most promising non‐noble metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). However, they still suffer from insufficient activity and, particularly, durability for practical applications. Leveraging density functional theory (DFT) and machine learning (ML), we unravel an unexpected collective effect between FeN 4 OH sites, CeN 4 OH motifs, Fe nanoparticles (NPs), and Fe−CeO 2 NPs. The collective effect comprises differently‐weighted electronic and geometric interactions, whitch results in significantly enhanced ORR activity for FeN 4 OH active sites with a half‐wave potential ( E 1/2 ) of 0.948 V versus the reversible hydrogen electrode (V RHE ) in alkaline, relative to a commercial Pt/C ( E 1/2 , 0.851 V RHE ). Meanwhile, this collective effect endows the shortened Fe−N bonds and the remarkable durability with negligible activity loss after 50,000 potential cycles. The ML was used to understand the intricate geometric and electronic interactions in collective effect and reveal the intrinsic descriptors to account for the enhanced ORR performance. The universality of collective effect was demonstrated effective for the Co, Ni, Cu, Cr, and Mn‐based multicomponent ensembles. These results confirm the importance of collective effect to simultaneously improve catalytic activity and durability.
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