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Axial O‐Bridge Bond Induced Electron High‐Spin and Destroyed d–π Conjugation of Fe Single‐Atom Sites for Enhanced CO 2 Electroreduction

材料科学 催化作用 原子轨道 电子 自旋态 人口 对称(几何) 电子结构 光化学 自旋(空气动力学) 电催化剂 化学物理 基态 氧化还原 结晶学 分子轨道 化学键 过渡金属 共价键 电化学 氧化态 原子物理学 Pi键 工作(物理) 电子转移 分子物理学 法拉第效应 轨道重叠 电子交换
作者
Wei Sun,Yixuan Gao,Boyu Huang,Zhenyu He,ShiMei Yin,Fan Li,Wen Liu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (25) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/adfm.202529252
摘要

ABSTRACT Fine‐tuning the electronic structure of single‐atom sites (SAS) in catalysts is crucial yet challenging for improving electrocatalytic CO 2 reduction (CO 2 RR). Herein, we construct axial O‐bridge bond coordinated Fe single‐atoms in a nitrogen‐doped carbon‐skeleton catalyst (O─Fe─N 4 SACs) derived from ZIF‐8, achieving Fe 3d‐orbital spin regulation and destroyed d–π conjugation. Experimental and theoretical results reveal that the axial O‐bridge bond breaks the D 4h symmetry of the Fe─N 4 active center, resulting in the rearrangement of the spinning electron in the Fe 3d orbital to disrupt surface d–π conjugation of the Fe─N─C structure. Meanwhile, the Jahn‐Teller effect of the adjacent axial O‐bridge bond can effectively induce the Fe spin‐state transition from medium‐spin ( ↓↑ , ↓↑ , ↑ , ↑ , _) to high‐spin ( ↑ , ↑ , ↑ , ↑ , ↑ ). Therefore, the decreased population of paired electrons on d orbitals is pivotal for activating *COOH intermediates, thus greatly enhancing the electrocatalytic CO 2 RR reaction activity. The optimized catalyst presents a superior faraday efficiency (FE, 98.67% at ‐0.7 V) during CO 2 RR process, which is 5.6‐fold higher than that of non‐axial coordinated Fe─N 4 SACs. This work presents a new insight into electronic spin state regulation through the destroyed d–π conjugation strategy of D 4h symmetry SACs for enhancing electrocatalytic CO 2 RR performance.
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