Atomic‐Level Modulation of Electronic Density at Cobalt Single‐Atom Sites Derived from Metal–Organic Frameworks: Enhanced Oxygen Reduction Performance

塔菲尔方程 催化作用 电化学 部分 金属有机骨架 金属 密度泛函理论 化学 Atom(片上系统) 物理化学 材料科学 无机化学 计算化学 立体化学 电极 有机化学 吸附 嵌入式系统 计算机科学
作者
Yuanjun Chen,Rui Gao,Shufang Ji,Haijing Li,Kun Tang,Peng Jiang,Haibo Hu,Zedong Zhang,Haigang Hao,Qingyun Qu,Liang Xiao,Wenxing Chen,Juncai Dong,Dingsheng Wang,Yadong Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:60 (6): 3212-3221 被引量:574
标识
DOI:10.1002/anie.202012798
摘要

Demonstrated here is the correlation between atomic configuration induced electronic density of single-atom Co active sites and oxygen reduction reaction (ORR) performance by combining density-functional theory (DFT) calculations and electrochemical analysis. Guided by DFT calculations, a MOF-derived Co single-atom catalyst with the optimal Co1 -N3 PS active moiety incorporated in a hollow carbon polyhedron (Co1 -N3 PS/HC) was designed and synthesized. Co1 -N3 PS/HC exhibits outstanding alkaline ORR activity with a half-wave potential of 0.920 V and superior ORR kinetics with record-level kinetic current density and an ultralow Tafel slope of 31 mV dec-1 , exceeding that of Pt/C and almost all non-precious ORR electrocatalysts. In acidic media the ORR kinetics of Co1 -N3 PS/HC still surpasses that of Pt/C. This work offers atomic-level insight into the relationship between electronic density of the active site and catalytic properties, promoting rational design of efficient catalysts.
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