​东大/福大/燕大JACS: Co单原子改变WxC的界面结构,实现高效稳定双功能氧电催化

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锌-空气电池(ZABs)具有成本低、理论容量高和环境友好等优点,是替代目前商业化锂离子电池的潜在储能技术之一。但是,其放电过程中的氧还原反应(ORR)和充电过程中的析氧反应(OER)等四电子转移过程动力学缓慢,严重影响了ZAB的能量转换和输出功率。

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目前,ZAB的基准电催化剂仍然主要依赖于贵金属,这导致其价格昂贵,稳定性有限。此外,具有ORR活性和OER活性的物理混合催化剂由于相容性较差,对ZAB催化性能的提升不够理想。因此,开发低成本和高内在活性的ORR/OER双功能催化剂势在必行,但仍具有挑战性。
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近日,东北大学李犁福州大学喻志阳燕山大学王静等报道了一种基于SAC的双功能电催化剂,其中Co原子分散在碳化钨载体(Co-WxC)上,用于高效催化ORR和OER。
研究发现,除了通常报道的分散在材料中的单原子外,Co还可以通过在边缘区域形成BCC或FCC超晶格来改变WxC载体的界面结构。Co原子主要以Co-W键和Co-C键的形式存在,且超晶格的形成可以通过晶格失配引起的应力改变材料的电子结构,将原子态密度向负能区移动,有利于中间体的脱附;此外,电荷分析证实了超结构与单原子的协同作用,降低了中间体的吸附能,提高了催化活性。随着双功能催化剂理论过电位的降低,OER和ORR之间的自由能差减小。
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得益于超结构和单原子的独特优点,所制备的电催化剂表现出优异的ORR (E1/2为0.893 V)和OER活性(10 mA cm−2电流密度下的过电位为259 mV),远远超过其商业基准Pt/C+IrO2催化剂。更重要的是,该催化剂具有超低的ΔE值(0.623 V),使其表现出优异的ZAB性能,利用Co-WxC作为电极组装的ZAB的峰值功率密度高达188.5 mW cm−2,并能够稳定循环6000次。
总的来说,该项工作揭示了Co-WxC催化剂高氧电催化活性的起源,为用于电催化和能量存储系统的先进材料的设计提供了思路。
Superstructure-assisted single-atom catalysis on tungsten carbides for bifunctional oxygen reactions. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c14354
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