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朱成周/郭少军/宋卫余Chem:Fe-N-C/PdNC实现高效ORR,助力燃料电池
对比Pt/C催化剂,Fe单原子催化剂在酸性电解质中的氧还原反应(ORR)性能较差,严重阻碍了其发展。
基于此,华中师范大学朱成周教授、北京大学郭少军教授和中国石油大学(北京)宋卫余教授(共同通讯作者)等人报道了一种由Pd纳米团簇(PdNC)和Fe单原子组成的ORR催化剂(Fe-N-C/PdNC)。
在酸性条件下,Fe-N-C/PdNC表现出优异的ORR性能,具有优异的半波电位(0.87 V),在30000次循环后衰减并不显著,同时燃料电池的最大功率密度高达920 mW/cm2,优于Pt/C催化剂。
密度泛函理论(DFT)计算发现,Fe单原子与Pd(111)面耦合和不耦合用于模拟Fe-N-C/PdNC和Fe-N-C,其中Fe与4个N原子结合。优化后的Fe-N-C/PdNC的结构模型显示出Fe中心由方平面向N4-平面外的构型变化,与Fe-N-C相比,Fe-N键被拉伸。
随着PdNC的整合,电子从Fe单原子向PdNC的转移,导致了Fe 3d-轨道电子的重分布,进一步的不同轨道细节表明,这主要源于Fe dz2轨道自旋态的增加。
从自旋密度图可以看出自旋态的增加,Fe-N-C/PdNC中自旋态较高的Fe位点形成了更宽的自旋相关通道,促进了ORR过程中的电荷传输和电子给电子。考虑到dz2轨道垂直于Fe-N-C平面,LS Fe(II)在MS构型中由原来的空轨道变为部分占据轨道,可有效调节与含氧中间体的轨道重叠。
Tuning the spin-state of Fe single atoms by Pd nanoclusters enables robust oxygen reduction with dissociative pathway. Chem, 2022, DOI: 10.1016/j.chempr.2022.10.001.
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.10.001.
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