Installation of metal clusters adjacent to dual-Fe sites for enhanced oxygen reduction

对偶(语法数字) 氧还原 氧气 还原(数学) 金属 氧还原反应 材料科学 环境科学 化学 冶金 物理化学 几何学 数学 艺术 有机化学 文学类 电化学 电极
作者
Ming Liu,Xuemin Wang,Shoufu Cao,Xiaoqing Lü,Wei Li,Na Li,Xian‐He Bu
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:12 (10): nwaf356-nwaf356
标识
DOI:10.1093/nsr/nwaf356
摘要

Fe-based dual-metal center catalysts, featuring intermetallic d-d orbital coupling, have garnered significant interest for enhancing the oxygen reduction reaction (ORR). Modulation of the adjacent microenvironment to dual-metal sites is central to further enhancing the ORR performance, but remains an underexplored area. In this study, an atomic-scale electrocatalyst, consisting of dual-Fe sites and Fe-based atomic clusters (FeDS/MC-NC), is synthesized. Driven by these Fe-based atomic clusters, FeDS/MC-NC achieves a half-wave potential of up to 0.920 V vs reversible hydrogen electrode (RHE) during the ORR and exhibits a kinetic current density up to 7 times that of commercial Pt/C at 0.880 V vs RHE. Additionally, FeDS/MC-NC achieves a maximum power density of 214.6 mW cm-2 and maintains a negligible expansion of the voltage window after >1000 cycles for Zn-air batteries. Theoretical calculations reveal that the Fe3O4 clusters contribute significantly to the dual-Fe sites in FeDS/MC-NC. These Fe3O4 clusters, positioned adjacent to the dual-Fe sites, induce spin polarization of the active centers through a weak interaction. This results in a positive shift of the spin-down orbitals toward the vicinity of the Fermi energy level, enhancing the adsorption of the key reaction intermediate OOH* and ultimately accelerating the reaction kinetics. This work may open up an avenue to construct dual-metal center catalysts with tunable atomic structures.
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