Tailoring Oxygen Reduction Reaction Kinetics of Fe−N−C Catalyst via Spin Manipulation for Efficient Zinc–Air Batteries

氧还原反应 材料科学 催化作用 动力学 氧还原 密度泛函理论 氧气 自旋态 化学工程 金属 无机化学 物理化学 计算化学 有机化学 冶金 电极 电化学 化学 物理 量子力学 工程类
作者
Huiwen Zhang,Hsiao‐Chien Chen,Solmaz Feizpoor,Linfeng Li,Xuefeng Zhang,Xuefei Xu,Zechao Zhuang,Zhishan Li,Wenyu Hu,Rony Snyders,Dingsheng Wang,Chundong Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (25): e2400523-e2400523 被引量:319
标识
DOI:10.1002/adma.202400523
摘要

Abstract The interaction between oxygen species and metal sites of various orbitals exhibits intimate correlation with the oxygen reduction reaction (ORR) kinetics. Herein, a new approach for boosting the inherent ORR activity of atomically dispersed Fe−N−C matrix is represented by implanting Fe atomic clusters nearby. The as‐prepared catalyst delivers excellent ORR activity with half‐wave potentials of 0.78 and 0.90 V in acidic and alkaline solutions, respectively. The decent ORR activity can also be validated from the high‐performance rechargeable Zn–air battery. The experiments and density functional theory calculations reveal that the electron spin‐state of monodispersed Fe active sites is transferred from the low spin (LS, t 2g 6 e g 0 ) to the medium spin (MS, t 2g 5 e g 1 ) due to the involvement of Fe atomic clusters, leading to the spin electron filling in σ∗ orbit, by which it favors OH − desorption and in turn boosts the reaction kinetics of the rate‐determining step. This work paves a solid way for rational design of high‐performance Fe‐based single atom catalysts through spin manipulation.
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