Spin-Polarization-Activated d–p Orbital Coupling Enables Optimal Oxygen Reduction Reaction of Cobalt

催化作用 化学 自旋态 吸附 配体(生物化学) 金属 氧气 贵金属 自旋极化 光化学 电子 无机化学 物理化学 物理 有机化学 受体 量子力学 生物化学
作者
Yugang Qi,Qing Liang,Mengjie Wu,Kexin Song,Meiqi Liu,Jiang Zhou,Xiujuan Li,Yang Fa,Wei Zhang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (26): 10690-10698 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c02586
摘要

The spin configuration of electrons is inherently linked to catalytic activity, particularly in the oxygen reduction reaction (ORR). Since the regulation of electron distribution in the d orbital of a metal center affects the spin state greatly, the adsorption behavior of active sites is influenced by intermediates. Herein, a straightforward adsorption-pyrolysis strategy was employed to co-anchor Co and S atoms onto amorphous carbon (CoNxS4-x, x = 1, 2, 3). As a result, the presence of S enhances the Co spin state (t2g4eg2). In the high-spin state, the electron back-donation effect of Co3+ becomes more pronounced. As this effect strengthens the Co and O orbital coupling (d-p), it facilitates the conversion of the ligand of O2 to *OOH and remarkably improves the reaction kinetics. Consequently, the case of CoN1S3 has demonstrated superior catalytic performance (E1/2 = 0.88 V), surpassing noble metal catalysts and most recently reported Co-based catalysts.
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