李犁/喻志阳/王静JACS：超结构辅助单原子催化的OER和ORR！

研究内容

单原子催化(SAC)吸引了锌-空气电池的广泛兴趣，因为锌-空气蓄电池需要高性能的双功能电催化剂来进行氧反应。然而，由于促进多电子转移动力学的驱动力不足，催化剂设计仍然极具挑战性。

东北大学李犁、福州大学喻志阳和燕山大学王静报道了在碳化钨(W x C)上，超结构辅助SAC用于析氧(OER)和还原(ORR)反应。除了常见的单原子位点，作者揭示了在与碳化钨(W x C)的界面区域存在高度有序的Co超结构，这些超结构诱导内部应变并促进双功能催化。该催化剂展现出优异的双功能活性，具有0.623 V的超低OER-ORR电位差(ΔE)，并为组装的锌-空气电池提供188.5 mW cm -2 的高功率密度。相关工作以“Superstructure-Assisted Single-Atom Catalysis on Tungsten Carbides for Bifunctional Oxygen Reactions”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者为报道了一种新的基于SAC的双功能电催化剂，其分散在碳化钨衬底(Co-W x C)上的Co原子，用于ORR和OER。与通常报道的原子材料不同，在W x C的边缘边界区域除了通过本体的受限Co单原子之外还形成了Co超晶格，具有BCC(体心立方)或FCC(面心立方)堆叠序列的Co超晶格通过金属键和共价键之间的转变重建了催化剂的表面结构，有利于通过界面层的各向异性形成促进表面催化行为。

要点2.碳化钨基底具有其优异的耐腐蚀化学性、高导电性、类铂电子性质和稳定的催化活性中心而不具有强的杂原子配位，这是设计高效耐用的双功能电催化剂的先决条件。良好约束的Co单原子和边缘界面超晶格的存在结合了原子催化和超结构催化的优点，最大限度地利用了金属并提高了表面催化活性。

要点3.理论计算表明，与纯结构相比，这种特殊结构将过渡金属的d带优化到负能区，同时，超结构和单原子的共同作用大大降低了中间体的吸附能和两种氧反应(ORR/OER)的过电位，加速氧化还原反应动力学。因此，该催化剂展现出优异的双功能活性，具有0.623 V的超低OER-ORR电位差(ΔE)，远远优于商业基准Pt/C+IrO 2 。组装的可充锌-空气电池可提供188.5 mW cm -2 的高功率密度，开路电压为1.48 V，长期循环稳定性为6000次循环。

研究图文

图1. Co-W x C的微观结构研究。

图2. 结构分析。

图3. ORR和OER的性能。

图4. Co-W x C基电极的ZAB性能。

图5. 理论探究。

文献详情

Superstructure-Assisted Single-Atom Catalysis on Tungsten Carbides for Bifunctional Oxygen Reactions

Hongguan Li, Wu Wang, Sikang Xue, Jiarui He, Chen Liu, Guangying Gao, Shuanlong Di, Shulan Wang, Jing Wang,* Zhiyang Yu,* Li Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI : https://doi.org/10.1021/jacs.3c14354

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