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?福大程年才AFM：局部幾何畸變激發(fā)鋅空電池原子分散的Zn-Nx位點(diǎn)的氧還原活性

局部幾何應(yīng)變工程有助于調(diào)節(jié)氮配位過渡金屬-碳催化劑的性能。然而，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)應(yīng)變?cè)诩夹g(shù)上具有挑戰(zhàn)性。此外，人們對(duì)應(yīng)變度與性能之間的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系仍然知之甚少。

在此，福州大學(xué)程年才團(tuán)隊(duì)通過DFT計(jì)算，預(yù)測(cè)幾何彎曲可以有效地激活Zn-N₄的本征ORR活性，這是由于幾何彎曲將更多的電子從Zn轉(zhuǎn)移到配體N上，導(dǎo)致Zn原子的三維軌道向費(fèi)米能級(jí)正移動(dòng)，從而促進(jìn)了O₂分子的吸附-還原過程。進(jìn)而揭示了不飽和配位策略對(duì)Zn-ZIF水溶液形態(tài)和衍生化催化劑性能的影響。

此外，優(yōu)化后的球形多孔碳催化劑(S-Zn-N-C-950)富含幾何彎曲(25-50°)Zn-N₄位點(diǎn)，具有優(yōu)異的堿性O(shè)RR催化活性(Eonset = 1.0 V, E_1/2= 0.89 V)和鋅-空氣電池性能(峰值功率密度為229.2 mW cm^-2)，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的Fe-N基ORR催化劑。

圖1. 催化劑的理論預(yù)測(cè)

總之，該工作采用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法證明了局部幾何畸變?cè)谠鰪?qiáng)Zn-Nx基團(tuán)ORR活性方面的主導(dǎo)作用。首先DFT預(yù)測(cè)，局部平面彎曲可以激活Zn原子的d軌道上移，從而優(yōu)化吸附和解吸到氧中間態(tài)的強(qiáng)度，并獲得比平面內(nèi)Zn-N位更有利的ORR路徑。

此外，該工作還提出一種低溫不飽和配位策略制備表面富集幾何彎曲(20-50°)Zn-N-C位的球形多孔碳催化劑進(jìn)行驗(yàn)證。優(yōu)化的催化劑(S-Zn-N-C-950)具有高活性的Zn-N-C位點(diǎn)、大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的堿性O(shè)RR活性(半波電位E1/2 = 0.89 V)和優(yōu)異的鋅-空氣電池性能(峰值功率密度為229.2 mW cm^-2)。重要的是，該工作通過DFT計(jì)算證明了當(dāng)幾何彎曲角度為30 ~ 45°時(shí)，Zn中心對(duì)周圍N的電荷轉(zhuǎn)移合適，對(duì)氧中間態(tài)的吸附強(qiáng)度適中，ORR活性最佳。

圖2. 電池性能

Local Geometric Distortion to Stimulate Oxygen Reduction Activity of Atomically Dispersed Zn-Nx Sites for Zn–Air Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202311337

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