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?南師大邱曉雨AEM:非均相M1N4-C-M2N4-C-M3N4 TSAs協同助理Zn-空氣電池電催化途徑及水裂解

非均相三元單原子(TSAs)催化劑

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三元金屬催化劑在互補性和協同作用方面有很大的前景,在涉及多中間體的組合反應中很有前景。然而,同時將所有三種金屬種類縮小到單原子水平仍面臨著挑戰。
基于此,南京師范大學邱曉雨副教授(通訊作者)等人報道了一種通用的金屬封裝-分離-覆蓋策略,并制備了非均相M1N4-C-M2N4-C-M3N4三元單原子(TSAs)催化劑,比單原子負載(IrPtCu TSAs, wt%高達21.24%)高三倍。
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通過DFT計算,從理論上解釋了TSAs的催化機理。構建一個可能的(CoN4-C-NiN4-C-FeN4 TSAs)和三個比較的(CoN4-C、NiN4-C和FeN4-C SAs)模型。
利用這些可以很好地推廣到CoN4位點、NiN4位點和FeN4描述符,SAs的ORR、OER和HER活性分別按照FeN4-C > CoN4-C > NiN4-C、NiN4-C > CoN4-C > FeN4-C和CoN4-C > FeN4-C的順序進行識別。
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具體而言,對于ORR,FeN4-C SAs表現出最顯著的放熱質子-電子轉移步驟,ΔGO*為1.31 eV;對于OER,NiN4-C SAs表現出2.00 eV的最低極限能壘,ΔGO*-OH*為1.91 eV;對于HER,CoN4-C SAs表現出最接近0 eV的ΔGH*
如吸附構型和自由能圖所示,SAs的上述趨勢很好地推廣到CoN4-C-NiN4-C-FeN4 TSAs中的CoN4位點、NiN4位點和FeN4位點。
關鍵描述符還證實了TSAs中FeN4位點、NiN4位點和CoN4位點分別作為ORR、OER和HER的最佳吸附位點的作用,理論上指出了TSA對不同反應的位點選擇性。
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Ternary Synergism of Heterogeneous M1N4-C-M2N4-C-M3N4 Single-Atom Sites to Manipulate the Electrocatalytic Pathway for Zn-Air Battery and Water Splitting. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202203150.
https://doi.org/10.1002/aenm.202203150.

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