Activation of Cascade Pathway for Oxygen Reduction via 4f‐3d Orbital Ladder‐Driven Dual‐Site Synergy

级联 催化作用 原子轨道 异质结 化学 费米能级 化学物理 密度泛函理论 氧化还原 材料科学 电子转移 拉曼光谱 光化学 过渡金属 极化(电化学) 费米能量 纳米技术 氧气 光电子学 电子 再分配(选举) 光谱学 缩放比例 自旋态 电化学
作者
Ruiqi Cheng,Kaiqi Li,Yilin Han,Xiaoqian He,Jin Song,Huanxin Li,Chaopeng Fu
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:13 (4): e14432-e14432 被引量:1
标识
DOI:10.1002/advs.202514432
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) remains a major obstacle in green electrochemical energy conversion, driving the pursuit of cost-effective noble-metal-free catalysts. Transition metal (TM) and rare-earth (RE) compounds have emerged as promising alternatives. However, their catalytic activity is hindered by sluggish electron transfer and restrictive scaling relationships. Herein, a TM/RE heterostructural catalyst that integrates the complementary features of Fe3N's tunable 3d orbitals and spin polarization with CeO2's partially filled 4f orbitals and facile Ce4+/Ce3+ redox transitions, enabling dual-phase catalytic participation, is designed. The Fe3N/CeO2 heterostructure forms a dual-site catalytic heterointerface, which promotes charge redistribution and optimizes intermediate adsorption. This synergy originates from the 4f-3d orbital ladder via Ce─O─Fe coordination, enabling directed electron transfer, Fermi level equilibration, and increased carrier density. The interfacial coupling further modulates the Fe spin state, enhances Ce─O covalency, and enriches unpaired electrons, thereby co-activating both phases and establishing a cascade pathway at the heterointerface that circumvents conventional scaling constraints. The proposed mechanism is further verified by in situ Raman spectroscopy and theoretical calculations. The Fe3N/CeO2 achieves a half-wave potential of 0.874 V and delivers a maximum power density of 157.8 mW cm-2 in aluminum-air batteries, outperforming commercial Pt/C and underscoring the application prospects of RE-based heterostructures for next-generation energy technologies.
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