In situ modulating coordination fields of single-atom cobalt catalyst for enhanced oxygen reduction reaction

部分 催化作用 金属 Atom(片上系统) 氧气 化学 光化学 材料科学 结晶学 无机化学 立体化学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统
作者
Meihuan Liu,Jing Zhang,Hui Su,Yaling Jiang,Wanlin Zhou,Chenyu Yang,Shuowen Bo,Jun Pan,Qinghua Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 1675-1675 被引量:244
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45990-w
摘要

Abstract Single-atom catalysts, especially those with metal−N 4 moieties, hold great promise for facilitating the oxygen reduction reaction. However, the symmetrical distribution of electrons within the metal−N 4 moiety results in unsatisfactory adsorption strength of intermediates, thereby limiting their performance improvements. Herein, we present atomically coordination-regulated Co single-atom catalysts that comprise a symmetry-broken Cl−Co−N 4 moiety, which serves to break the symmetrical electron distribution. In situ characterizations reveal the dynamic evolution of the symmetry-broken Cl−Co−N 4 moiety into a coordination-reduced Cl−Co−N 2 structure, effectively optimizing the 3 d electron filling of Co sites toward a reduced d -band electron occupancy ( d 5.8 → d 5.28 ) under reaction conditions for a fast four-electron oxygen reduction reaction process. As a result, the coordination-regulated Co single-atom catalysts deliver a large half-potential of 0.93 V and a mass activity of 5480 A g metal −1 . Importantly, a Zn-air battery using the coordination-regulated Co single-atom catalysts as the cathode also exhibits a large power density and excellent stability.
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