單原子催化劑在加速鋰氧（Li-O₂）電池的析氧反應(yīng)（OER）的動(dòng)力學(xué)方面顯示出良好的前景。然而，目前對(duì)其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和OER機(jī)制之間的關(guān)系的理解有限。

基于此，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)劉向峰教授（通訊作者）等人報(bào)道了一種模板輔助法合成固定在氮摻雜碳球上的原子分散的Pd作為正極催化劑。

以Pd SAs/NC為正極的Li-O₂電池實(shí)現(xiàn)了低至0.24 V的充電過(guò)電位，可持續(xù)的低過(guò)電位循環(huán)穩(wěn)定性（500 mA g^-1），并能保持低充電電壓至極高的容量（10000 mAh g^-1）。

通過(guò)DFT計(jì)算，進(jìn)一步了解了催化劑的表面結(jié)構(gòu)對(duì)Li₂O₂分解過(guò)程的可能影響。LiO₂在Pd-N₄和NC表面的吸附能分別為-0.49 eV和-2.37 eV，LiO₂和Pd-N₄之間較弱的吸附能是影響Li₂O₂分解的關(guān)鍵因素，從而導(dǎo)致較低的解離過(guò)電位。LiO₂和Pd-N₄之間適度的吸附相互作用和容易的電荷轉(zhuǎn)移，有利于放電產(chǎn)物的有效分解。

投影態(tài)密度（PDOS）圖表明，與Pd顆粒（Pd_n）相比，Pd-N₄的d帶中心左移，降低了中間體與金屬中心的化學(xué)吸附強(qiáng)度。此外，Pd 4d軌道與LiO₂的O 2p軌道的部分重疊表明Pd-O鍵的共價(jià)性較弱，進(jìn)一步表明LiO₂在Pd-N₄表面的吸附較弱。

不同電位下Pd SAs/NC和NC表面的放電/充電反應(yīng)的自由能圖表明，Pd SAs/NC和NC對(duì)充電反應(yīng)的速率決定步驟都是LiO₂氧化步驟。對(duì)于Pd SAs/NC電極，計(jì)算的U₀為1.786 V，對(duì)應(yīng)的充電過(guò)電位為0.28 V。

而計(jì)算得到的NC電極的U₀為2.101 V，充電過(guò)電位為0.9 V，遠(yuǎn)高于Pd SAs/NC電極。總之，DFT計(jì)算證實(shí)了暴露的Pd-N₄活性位點(diǎn)可以有效地抑制Li-O₂電池的充電過(guò)電位。

Single-Atom Pd-N₄ Catalysis for Stable Low-Overpotential Lithium-Oxygen Battery. Small, 2022, DOI: 10.1002/smll.202204559.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202204559.