Engineering of Fe d-band center in Fe 3O 4/CeO 2 hetero-nanoparticles via orbital coupling for high-efficiency oxygen reduction electrocatalysis

电催化剂 纳米颗粒 材料科学 氧还原反应 中心(范畴论) 联轴节(管道) 氧还原 还原(数学) 凝聚态物理 催化作用 纳米技术 化学 物理化学 物理 结晶学 冶金 电化学 电极 生物化学 几何学 数学
作者
Jiayi Liu,Jingwen Yin,Yingzi Lin,Mingxin Pang,Huan Pang,Songtao Zhang,Lin Xu,Jun Yang,Yawen Tang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (1): 94907016-94907016 被引量:20
标识
DOI:10.26599/nr.2025.94907016
摘要

The deliberate engineering of the d-band center of metal site represents an effective strategy to boost the intrinsic electrocatalytic performance toward the oxygen reduction reaction (ORR). Herein, following a heterointerface-induced orbital coupling rationale, we report a judicious design of an efficient ORR electrocatalyst consisting of Fe3O4/CeO2 hetero-nanoparticles in-situ encased into N-doped carbon nanofibers (abbreviated as Fe3O4/CeO2@N-CNFs hereafter). The theoretic calculations uncover that the Fe3O4/CeO2 heterointerface-triggered orbital coupling can cause the down shift of the d-band center positions of Fe sites, which leads to the weakened chemisorption of oxygenated groups and lowered energy barrier for the potential-determining step, ultimately dramatically boosting the ORR intrinsic activity. As a consequence, the well-designed Fe3O4/CeO2@N-CNFs display admirable ORR activity with a half-wave potential of 0.84 V and outstanding structural/electrochemical stability in an alkaline electrolyte, surpassing the commercial Pt/C benchmark and a majority of recently reported Fe3O4-based electrocatalysts. More encouragingly, the Fe3O4/CeO2@N-CNFs-incorporated Zn-air battery outperforms the Pt/C-assembled counterpart with higher power density, larger energy density, and excellent cycling stability, serving as a competent candidate for ORR-involved renewable energy setups. This study offers an innovative approach for the rational manipulation of the d-band center and interfacial electron behavior of active sites toward the optimization of electrocatalytic performance.
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