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朱成周/郭少軍/宋衛(wèi)余Chem：Fe-N-C/PdNC實(shí)現(xiàn)高效ORR，助力燃料電池！

對比Pt/C催化劑，F(xiàn)e單原子催化劑在酸性電解質(zhì)中的氧還原反應(yīng)（ORR）性能較差，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展。

基于此，華中師范大學(xué)朱成周教授、北京大學(xué)郭少軍教授和中國石油大學(xué)（北京）宋衛(wèi)余教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種由Pd納米團(tuán)簇（Pd_NC）和Fe單原子組成的ORR催化劑（Fe-N-C/Pd_NC）。

在酸性條件下，F(xiàn)e-N-C/Pd_NC表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR性能，具有優(yōu)異的半波電位（0.87 V），在30000次循環(huán)后衰減并不顯著，同時燃料電池的最大功率密度高達(dá)920 mW/cm²，優(yōu)于Pt/C催化劑。

密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e單原子與Pd(111)面耦合和不耦合用于模擬Fe-N-C/Pd_NC和Fe-N-C，其中Fe與4個N原子結(jié)合。優(yōu)化后的Fe-N-C/Pd_NC的結(jié)構(gòu)模型顯示出Fe中心由方平面向N₄-平面外的構(gòu)型變化，與Fe-N-C相比，F(xiàn)e-N鍵被拉伸。

隨著Pd_NC的整合，電子從Fe單原子向Pd_NC的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了Fe 3d-軌道電子的重分布，進(jìn)一步的不同軌道細(xì)節(jié)表明，這主要源于Fe d_z²軌道自旋態(tài)的增加。

從自旋密度圖可以看出自旋態(tài)的增加，F(xiàn)e-N-C/Pd_NC中自旋態(tài)較高的Fe位點(diǎn)形成了更寬的自旋相關(guān)通道，促進(jìn)了ORR過程中的電荷傳輸和電子給電子。

考慮到d_z²軌道垂直于Fe-N-C平面，LS Fe(II)在MS構(gòu)型中由原來的空軌道變?yōu)椴糠终紦?jù)軌道，可有效調(diào)節(jié)與含氧中間體的軌道重疊。

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.

原創(chuàng)文章，作者：華算老司機(jī)，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2022/11/07/6262a510e4/

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