Dynamic Spin Governing Asymmetric Coordination Fields in Trimetallic Single‐Atom Catalysts for Optimal Oxygen Reduction

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作者
Kexin Song,B. Yang,Wengang An,Qing Liang,Jingkai Lin,Huayang Zhang,Yugang Qi,Yuecheng Lai,Zhongjun Chen,Wei Liu,Zhou Jiang,Aofei Wei,Boning Xu,Zhenyu Li,Fuxi Liu,W. J. Zheng,Wei Zhang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (12): e19740-e19740
标识
DOI:10.1002/anie.202519740
摘要

Single-atom catalysts demonstrate theoretically superior oxygen reduction reaction (ORR) kinetics, the limited dynamic adaptability, however, poses a giant challenge to meet the multi-step proton-coupled electron transfer (PCET). Herein, we propose a "Dynamic Spin Engineering" strategy for the rational design of tri-metallic single-atom catalysts (FeZnTM-TACs) featuring asymmetric coordination fields (FeN4ZnN3TMN4). Leveraging electron synergy and spatial functional decoupling among heterometallic sites, the optimized FeZnMn-TACs exhibit exceptional ORR performance (E1/2 = 0.93 V versus RHE) and ultra-long stability (ΔE1/2 = 24 mV after 90,000 cycles). Through operando X-ray absorption fine structure and spin-polarized density functional theory, we unveil the scalability of a ternary synergy encompassing dynamic reconstruction, charge compensation and spin-state transition, clarifying the roles of electron donors at the ZnN3 sites and proton supply at MnN4 sites. Dynamic FeNxCy evolution triggers a spin-state transition from medium spin (MS = 1.5) to low spin (LS = 1.0), accompanied by the dxz/dyz orbital occupancy degree from 50% to 100%. As a consequence, we synergize the dual optimization of *OOH formation and *OH desorption in PCET. Moreover, our work atomically deciphers the spin redistribution mechanism driven by dynamic reconstruction, establishing a new paradigm for designing self-adaptive electrocatalysts that ultimately unify ultrahigh activity with operational stability.
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