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Engineering Spin‐Electronic Coupling at Fe Cluster/Single‐Atom Interfaces via p‐Block Modulation for Zn‐Air Batteries

双功能 材料科学 阴极 猝灭(荧光) 催化作用 氧气 化学物理 密度泛函理论 联轴节(管道) 调制(音乐) 原子轨道 金属 化学工程 电极 纳米技术 碳纤维 动能 电容器 动力学 电流密度 水溶液 解吸 工作(物理) 光电子学 共价键 析氧 功率密度 Atom(片上系统) 双功能催化剂 电子结构 电子
作者
Lulu Lyu,Wenqi Fan,Xu Hu,Qichen Wang,Dongjun Lee,Gonglei Shao,Dong Guo,Zhen Zhou,Yongfu Kang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (25): e72939-e72939 被引量:3
标识
DOI:10.1002/adma.72939
摘要

ABSTRACT Fe─N─C single‐atom catalysts represent one of the most promising classes of non‐precious cathodes for Zn‐air batteries (ZABs). However, their oxygen reduction reaction (ORR) kinetics remain intrinsically constrained by strong *OH binding at symmetric FeN 4 moieties, which impedes intermediate release. Here, we develop a heterostructured catalyst in which sub‐nanometer Fe clusters are electronically coupled to dispersed Sb and Fe sites on N‐doped carbon nanospheres (Fe AC /SbFeNC). Sb having spatially extended 5p orbitals functions as a powerful electronic modulator, redistributing charge density around Fe centers and quenching their magnetic moments through 5p–3d hybridization. Operando spectroscopic analyses, corroborated by first‐principles calculations, demonstrate that this coupled electronic–spin modulation markedly lowers the barriers associated with O─O bond cleavage and *OH desorption during ORR. Benefiting from these cooperative effects, the Fe AC /SbFeNC cathode for an aqueous ZAB exhibits favorable bifunctional oxygen reduction/evolution activity, reaching a peak power density of 244.6 mW cm −2 and a long lifespan of 2300 h at 5 mA cm −2 . A quasi‐solid‐state ZAB further achieves an outstanding discharge capacity of 1.12 Ah and sustains steady operation for 600 h even at –40°C. Collectively, this work establishes an effective strategy to overcome ORR kinetic limitations by leveraging the synergistic interplay between p‐block electronic/spin modulation and sub‐nanometer metal cluster.
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