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

催化作用 化学 自旋态 钴 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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