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尹鴿平/孔凡鵬Small：通過(guò)調(diào)節(jié)d帶中心在高度石墨化碳上構(gòu)建FeNx以實(shí)現(xiàn)高性能氧還原

Fe單原子和N共摻雜碳納米材料（Fe-N-C）是最有希望替代鉑族金屬的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑。然而高活性Fe單原子催化劑由于石墨化程度低，其穩(wěn)定性較差。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)尹鴿平教授，孔凡鵬助理教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種有效的相變策略，通過(guò)增加石墨化程度和引入石墨碳層包裹的Fe納米顆粒來(lái)提高Fe-N-C催化劑的穩(wěn)定性。

所制備的Fe@Fe-N-C催化劑在酸性介質(zhì)中具有良好的ORR活性（E_1/2=0.829 V）和穩(wěn)定性（30K循環(huán)后損失19 mV）。

本文通過(guò)DFT計(jì)算研究了Fe@Fe-N-C的內(nèi)在優(yōu)越活性和穩(wěn)定性。投影態(tài)密度（PDOS）表明，F(xiàn)e@Fe-N-C催化劑中Fe單原子的d帶中心明顯轉(zhuǎn)移到更負(fù)的位置。

計(jì)算得出的Fe@Fe-N-C的d帶中心為-0.947 eV，比Fe-N-C的d帶中心低0.172 eV（-0.775 eV），這意味著部分占據(jù)的反鍵軌道和含氧中間體在Fe@Fe-N-C上的弱相互作用。

ORR的吉布斯自由能圖表明，F(xiàn)e納米顆粒的引入降低了*OH的脫附能，速率控制步驟從*OH的脫附轉(zhuǎn)變?yōu)?OH的形成。相對(duì)于FeN₄ (0.77 eV)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)eN₄@Fe₁₅的ORR能壘大大降低至0.57 eV，從而促進(jìn)了ORR動(dòng)力學(xué)。

對(duì)于傳統(tǒng)的Fe-N-C催化劑，活性Fe原子對(duì)氧中間體的過(guò)度強(qiáng)吸附限制了催化劑的活性，而Fe@Fe-N-C催化劑通過(guò)降低d帶中心和中間體結(jié)合能避免了該缺點(diǎn)。

Architecting FeN_x on High Graphitization Carbon for High-Performance Oxygen Reduction by Regulating d-Band Center. Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202300758.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300758.

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