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?東華大學(xué)羅維/邱鵬鵬Angew：Fe5-Cu-N-mC實(shí)現(xiàn)高效的ORR

原子-簇相互作用是提高氧還原反應(yīng)（ORR）金屬-氮-碳（M-N-C）催化劑性能的有效途徑，但是這些催化劑的合理設(shè)計(jì)和理解它們的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

基于此，東華大學(xué)羅維研究員和邱鵬鵬副研究員等人報(bào)道了通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，證明了相鄰M-N₄單原子（SAs）的引入可以顯著提高篩選良好的Fe原子簇（AC）催化劑的ORR性能。結(jié)果表明，F(xiàn)e₅-Cu-N-mC催化劑具有良好的ORR性能，在堿中半波電位為0.92 eV，在酸中半波電位為0.80 eV，在Zn-空氣電池中功率密度高達(dá)214.8 mW cm^-2。

通過DFT計(jì)算，作者研究了與4e^?轉(zhuǎn)移途徑相關(guān)的機(jī)制。作者繪制了中間產(chǎn)物的吉布斯自由能（ΔG）。限速步驟是在U=1.23 V的原始Fe₅-N-C催化劑上，OH*以1.65 eV的能壘生成H₂O。Fe₅-Cu-N-C結(jié)構(gòu)的OH*→H₂O步電位急劇下降到1.06 eV，表明Cu-N₄基團(tuán)的引入促進(jìn)了OH*的釋放。當(dāng)U電位切換到0 V時(shí)，除Fe₅-Zn-N-C結(jié)構(gòu)外，所有模型中OOH*到H₂O₂的能壘均為負(fù)，說明相鄰單原子的引入有利于4e^– ORR過程的發(fā)生。

在OH*→H₂O的最后一步，對(duì)比純Fe₅-N-C樣品，所需要的過電位降低了，表明這些單原子也可以提高Fe₅-N-C催化劑的催化性能。更重要的是，在Cu-N₄結(jié)構(gòu)存在下，OH*→H₂O階躍遷是下坡的，進(jìn)一步證明了Fe₅-Cu-NC結(jié)構(gòu)的優(yōu)先性。

Modulating Electronic Structures of Iron Clusters through Orbital Rehybridization by Adjacent Single Copper Sites for Efficient Oxygen Reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202308344.

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