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?鄭大張佳楠Nano Energy:調(diào)控Fe-N-C的自旋狀態(tài)助力ORR

轉(zhuǎn)換富缺陷的吡咯N-配位FeNx位點(diǎn),調(diào)節(jié)電子容易穿透氧的反鍵π-軌道

?鄭大張佳楠Nano Energy:調(diào)控Fe-N-C的自旋狀態(tài)助力ORR
原子分散的Fe-N-C催化劑是氧還原反應(yīng)(ORR)中Pt基催化劑的最有希望替代品,但Fe-Nx電催化劑在酸中ORR活性不足。有報(bào)道證實(shí)了單原子金屬-N-C位點(diǎn)配體場在提高催化性能的重要作用,但其機(jī)制仍不明確。
基于此,鄭州大學(xué)張佳楠教授(通訊作者)等人報(bào)道了基于配體場理論,通過轉(zhuǎn)換富缺陷的吡咯N-配位FeNx位點(diǎn),調(diào)節(jié)電子容易穿透氧的反鍵π-軌道,實(shí)現(xiàn)了SA Fe-N-C中Fe活性中心的電子自旋態(tài)從FeN5(Fe-N5-LS)的低自旋態(tài)(LS)到FeN4(Fe-N4-HS)和FeN3(Fe-N3-HS)的高自旋態(tài)(HS)的轉(zhuǎn)變。
?鄭大張佳楠Nano Energy:調(diào)控Fe-N-C的自旋狀態(tài)助力ORR
為準(zhǔn)確確定三種樣品的精確配位結(jié)構(gòu),采用DFT+U計(jì)算不同可能模型結(jié)構(gòu)的形成能,模型1和模型2分別代表Fe-N5-1和Fe-N5-2的可能結(jié)構(gòu)。
模型3-6表示Fe-N1-1、Fe-N4-3、Fe-N4-2和Fe-N4-4的可能結(jié)構(gòu)。
模型7和8分別表示Fe-N1-1和Fe-N3-2的可能結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)形成能來看,F(xiàn)e-N5-LS、Fe-N4-HS和Fe-N3-HS最可能的結(jié)構(gòu)分別為Fe-N5-2、Fe-N4-4和Fe-N3-1。
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Fe的態(tài)密度(PDOS)投影發(fā)現(xiàn),自旋通道中d-軌道電子的不對稱排列,表明自旋極化。
根據(jù)d-帶中心理論(d-帶中心的能級(jí)決定了催化劑表面活性位點(diǎn)和被吸附分子的吸附強(qiáng)度,能級(jí)越高,吸附能力越強(qiáng))和Sabatier原理,可以看出只有有合適的d-帶中心能級(jí)(Ed)來平衡中間體(*OH、*O和*OOH)的吸附和解吸,催化劑才能達(dá)到較高的ORR活性。
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Altering the spin state of Fe-N-C through ligand field modulation of single-atom sites boosts the oxygen reduction reaction. Nano Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.108020.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108020.

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