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Synergy of Spin States, Active Centers, and H Adsorption Sites on d - p Hybridized Fe–Sn–N 6 –C Dual-Atom Catalysts for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

化学 异核分子 催化作用 密度泛函理论 吸附 活动站点 离解(化学) 溶剂化 选择性 计算化学 活动中心 金属 物理化学 反应机理 自旋态 无机化学 光化学 氧气 多相催化 过渡金属 电子顺磁共振 电子结构 化学物理 反应中间体 洋葱 氧化还原 催化循环
作者
Jie Peng,Ledu Wang,Huiling Zhang,Yue Qiu,D Zhang,Li X,Xijun Wang,Qing Zhu,Chuanyi Jia,Yuxia Hao,Jun Jiang,Wenhui Zhong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c03113
摘要

Synergistic effects inherent to dual-atom catalysts (DACs) constitute a promising strategy for boosting the oxygen reduction reaction (ORR), yet the underlying regulatory mechanism─especially for heteronuclear DACs incorporating d-block and p-block metal centers─remains elusive. Herein, we investigate the ORR mechanism on Fe (d-block)–Sn (p-block)–N 6 –C catalysts via density functional theory (DFT) calculations under the IEFPCM solvation model, focusing on spin-state dependence, active-center specificity, and the pivotal role of H adsorption sites. Our calculations demonstrate that O 2 adsorption at the Sn active center triggers pronounced O–O bond elongation, which substantially reduces the kinetic barrier for direct O–O dissociation; notably, this dissociation barrier is minimized to a mere 0.44 eV in the high-spin state ( S = 2). Additionally, the single Sn active center selectively promotes the 4 electron (4e – ) pathway toward H 2 O, whereas both the 4e – and 2e – electron pathways are accessible at the single Fe active center and Fe,Sn dual active centers. Critically, ORR selectivity is strictly governed by the H adsorption site during H 2 O 2 formation: H binding to the Fe-side N site favors the 2e – pathway yielding H 2 O 2, while H adsorption at the Sn site directs the reaction toward the 4e – pathway producing H 2 O. More remarkably, we construct a set of integrated descriptors derived from spin-regulation parameters, including band gap, spin magnetic moment, interfacial charge transfer, and metal atomic charge. These innovative descriptors establish robust structure–property correlations, laying a rigorous theoretical framework for the rational design of heteronuclear DACs in electrochemical energy conversion, environmental remediation, and advanced synthetic chemistry.
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