Activating the PdN4 single-atom sites for 4 electron oxygen reduction reaction via axial oxygen ligand modification

电催化剂 化学 催化作用 配体(生物化学) 四配位 密度泛函理论 氧气 活动站点 计算化学 物理化学 电化学 电极 平面的 有机化学 生物化学 计算机图形学(图像) 受体 计算机科学
作者
Shanke Zhou,Shuke Huang,Xiaosha Wang,Shenghua Chen,Lei Wang,Peixin Zhang,Chenyang Zhao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:472: 145129-145129 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.145129
摘要

The absence of Pd ensemble sites and weak affinity for O-intermediates in tetracoordinate planar PdN4 sites inhibit O-O bond dissociation and restrict 4e- oxygen reduction reaction (ORR) pathway. Optimizing the adsorption energy between O-intermediates and PdN4 sites is a rational approach for selectively promoting 4e- ORR electrocatalysis. Herein, we propose a molten-salt strategy for introducing axial oxygen ligand into the PdN4 sites to manipulate the electronic structure and create catalytic O-PdN4 sites (one subsurface axial Pd-O configuration on PdN4 plane) on N-doped graphene nanosheets (O-PdN4-NGS). Density functional theory calculations revealed that the axial Pd-O coordination can induce charge redistribution, downshift the d-band center of Pd and enhance the adsorption affinity of PdN4 site for O-intermediates, thereby leading to superior electrocatalysis activity and selectivity for 4e- ORR process compared to conventional PdN4 sites in 0.1 M KOH (with a positive half-wave potential E1/2 of 0.90 V vs RHE). Moreover, zinc-air battery featuring with O-PdN4 sites delivers a peak power density of 178 mW cm−2 at 227.5 mA cm−2 and stable long-term cycling performance, effectively showcasing the advantages of the axial O ligand modification in practical application. This work provides a constructive strategy to activate the reaction activity and specificity of PdN4 single-atom sites by precisely-tuning the local coordination environment of Pd.
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