汪国秀&刘浩&张晋强&赖伟鸿Angew.：优化双单原子间距实现单原子催化剂高效ORR！

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研究内容

分子氧的电化学还原是燃料电池和金属空气电池的基本反应。然而，使用高效和低成本电催化剂的氧还原反应（ORR）是这些能量装置的瓶颈。在能量转换装置中，过渡单原子催化剂（SAC）上的氧还原反应（ORR）是可持续的。然而，单原子位点的原子可控合成和ORR的缓慢动力学仍然具有挑战性。

悉尼科技大学汪国秀教授、刘浩教授、张晋强博士和伍伦贡大学赖伟鸿博士使用双功能配体辅助策略，控制杂金属原子的距离，通过直接O-O切割途径来加速酸性ORR的动力学。在碳衬底上合成的Fe-Zn双原子对表现出优异的ORR性能，在酸性电解质中的半波电势为0.86 V vs. RHE。相关工作以“Direct Oxygen-Oxygen Cleavage through Optimizing Interatomic Distances in Dual Single-atom Electrocatalysts for Efficient Oxygen Reduction Reaction”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1. 作者开发了一种基于路易斯软硬酸碱（HSAB）理论的双功能配体辅助合成策略，可精确调节金属有机框架（MOF）衍生碳衬底（C）上Fe和Zn原子的双原子距离。Fe-Zn@SNC催化剂在FeN3-S-ZnN3构型中具有约3.0 Å距离的成对Fe和Zn原子。

要点2. 结果表明，距离范围为2.88至3.26 Å的Fe-Zn位点赋予了催化剂平衡的电荷强度，与氧原子的反键强烈相互作用。这些距离效应使O-O键不稳定，并避免了速率决定步骤O2*→OOH*。最终ORR途径在低过电位下直接进行，从而提高硫酸（H2SO4）电解质中的ORR活性。

要点3. 密度泛函理论（DFT）计算证明，简化的解离途径已通过均匀定向电荷和电子转移成功实现，从而有效削弱了O-Oσ键的能量。催化剂的合理原子结构设计和流线化的ORR途径在实现ORR的快速动力学和低过电势方面发挥着关键作用。

该工作揭示了源于距离效应的成对杂原子的动力学行为，为固有的ORR机制提供了重要的见解。

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研究图文

图1. ORR的机制。

图2. Fe-Zn@SNC的制备和表征。

图3. ORR性能。

图4. 反应机理和距离效应研究。

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文献详情

Direct Oxygen-Oxygen Cleavage through Optimizing Interatomic Distances in Dual Single-atom Electrocatalysts for Efficient Oxygen Reduction Reaction

Yuhan Xie, Xin Chen, Kaian Sun, Jinqiang Zhang,* Wei-Hong Lai,* Hao Liu,* Guoxiu Wang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202301833