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?東大/福大/燕大JACS: Co單原子改變WxC的界面結構,實現高效穩定雙功能氧電催化

?東大/福大/燕大JACS: Co單原子改變WxC的界面結構,實現高效穩定雙功能氧電催化
鋅-空氣電池(ZABs)具有成本低、理論容量高和環境友好等優點,是替代目前商業化鋰離子電池的潛在儲能技術之一。但是,其放電過程中的氧還原反應(ORR)和充電過程中的析氧反應(OER)等四電子轉移過程動力學緩慢,嚴重影響了ZAB的能量轉換和輸出功率。
目前,ZAB的基準電催化劑仍然主要依賴于貴金屬,這導致其價格昂貴,穩定性有限。此外,具有ORR活性和OER活性的物理混合催化劑由于相容性較差,對ZAB催化性能的提升不夠理想。因此,開發低成本和高內在活性的ORR/OER雙功能催化劑勢在必行,但仍具有挑戰性。
?東大/福大/燕大JACS: Co單原子改變WxC的界面結構,實現高效穩定雙功能氧電催化
?東大/福大/燕大JACS: Co單原子改變WxC的界面結構,實現高效穩定雙功能氧電催化
近日,東北大學李犁福州大學喻志陽燕山大學王靜等報道了一種基于SAC的雙功能電催化劑,其中Co原子分散在碳化鎢載體(Co-WxC)上,用于高效催化ORR和OER。
研究發現,除了通常報道的分散在材料中的單原子外,Co還可以通過在邊緣區域形成BCC或FCC超晶格來改變WxC載體的界面結構。Co原子主要以Co-W鍵和Co-C鍵的形式存在,且超晶格的形成可以通過晶格失配引起的應力改變材料的電子結構,將原子態密度向負能區移動,有利于中間體的脫附;此外,電荷分析證實了超結構與單原子的協同作用,降低了中間體的吸附能,提高了催化活性。隨著雙功能催化劑理論過電位的降低,OER和ORR之間的自由能差減小。
?東大/福大/燕大JACS: Co單原子改變WxC的界面結構,實現高效穩定雙功能氧電催化
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得益于超結構和單原子的獨特優點,所制備的電催化劑表現出優異的ORR (E1/2為0.893 V)和OER活性(10 mA cm?2電流密度下的過電位為259 mV),遠遠超過其商業基準Pt/C+IrO2催化劑。更重要的是,該催化劑具有超低的ΔE值(0.623 V),使其表現出優異的ZAB性能,利用Co-WxC作為電極組裝的ZAB的峰值功率密度高達188.5 mW cm?2,并能夠穩定循環6000次。
總的來說,該項工作揭示了Co-WxC催化劑高氧電催化活性的起源,為用于電催化和能量存儲系統的先進材料的設計提供了思路。
Superstructure-assisted single-atom catalysis on tungsten carbides for bifunctional oxygen reactions. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c14354

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