Well-Defined Co2 Dual-Atom Catalyst Breaks Scaling Relations of Oxygen Reduction Reaction

化学 催化作用 对偶(语法数字) 缩放比例 还原(数学) 氧原子 氧还原反应 氧气 Atom(片上系统) 计算化学 物理化学 有机化学 分子 艺术 嵌入式系统 几何学 文学类 电化学 计算机科学 数学 电极
作者
Qidi Sun,Xian Yue,Linke Yu,Fuzhi Li,Yiwei Zheng,Meng-Ting Liu,Jianzhao Peng,Xile Hu,Hao Ming Chen,Lei Li,Jun Gu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (51): 35295-35304 被引量:94
标识
DOI:10.1021/jacs.4c12705
摘要

The 4-electron oxygen reduction reaction (ORR) under alkaline conditions is central to the development of non-noble metal-based hydrogen fuel cell technologies. However, the kinetics of ORR are constrained by scaling relations, where the adsorption free energy of *OOH is intrinsically linked to that of *OH with a nearly constant difference larger than the optimal value. In this study, a well-defined binuclear Co2 complex was synthesized and adsorbed onto carbon black, serving as a model dual-atom catalyst. This catalyst achieved a record half-wave potential of 0.972 V versus the reversible hydrogen electrode in an alkaline electrolyte. Density functional theory simulations and in situ infrared spectroscopy revealed that the dual-atom site stabilizes the *OOH intermediate through bidentate coordination, thereby reducing the free energy gap between *OOH and *OH. By altering the adsorption configuration of *OOH on the dual-atom site, the scaling relations are effectively disrupted, leading to a significant enhancement in ORR activity.
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