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Engineering p–d Orbital Coupling and Vacancy-Rich Structure in Triatomic Iron–Bismuth–Iron Sites for Rechargeable Zinc–Air Batteries

材料科学 空位缺陷 联轴节(管道) 三原子分子 电子结构 结晶学 无机化学 冶金 凝聚态物理 化学 物理 无机化合物 有机化学
作者
Zhanhao Liang,Wencai Liu,Shaojie Jing,Yihui Huang,Bin Liao,Xinru Yan,Z. H. Qin,Xuchun Gui,Li‐Yong Gan,Hong Bin Yang,Dingshan Yu,Zhiping Zeng,Guowei Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (18): 17863-17873 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c03869
摘要

The rational design of heteroatomic sites with synergistic electronic modulation remains a critical challenge for achieving bifunctional oxygen electrocatalysis in sustainable energy technologies such as fuel cells and metal-air batteries. Herein, a triatomic Fe2BiN5 configuration embedded in nitrogen-doped carbon (Fe2BiN5/C) with atomically dispersed FeN2-BiN-FeN2 sites and vacancy-rich structures is synthesized via a pyrolysis and etching strategy. The triatomic architecture endows Fe2BiN5/C with exceptional bifunctional activity, delivering a high oxygen reduction reaction half-wave potential of 0.918 V and an oxygen evolution reaction overpotential of 245 mV at 10 mA cm-2, surpassing Pt/C and RuO2. In situ X-ray absorption fine structure and Raman spectroscopy reveal dynamic structural evolution during electrocatalysis, where Fe acts as the primary active center with Bi regulating the electron distribution via long-range interactions, thereby optimizing adsorption/desorption energetics of oxygen intermediates. The theoretical calculations further elucidate that the Bi-induced p-d orbital coupling leads to the alteration in Fe d-orbitals energy level, downshift d-band center, weaken binding strength to the oxygen-based intermediates, and reduced energy barrier for oxygen electrocatalysis. This work provides an understanding of bifunctional triatomic site with p-block metal as electronic modulators embedded in transition-metal atoms toward enhanced oxygen catalysis.
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