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國際伊比利亞納米技術實驗室Lifeng Liu，波爾圖大學Joaquim L. Faria，大連化物所許軍元和沈陽金屬所李波等人報道衍生于金屬-有機骨架的雙金屬Ir-Fe雙原子催化劑 (IrFe-N-C)，其在氧還原反應 (ORR) 和析氧反應 (OER) 均顯示出比單原子Ir?N?C和Fe?N?C更高的電催化性能。因此，IrFe-N-C 被用作鋅-空氣電池中的空氣陰極催化劑，其表現出比含有商業 Pt/C + RuO₂ 標準催化劑的電池更好的性能。

DFT 計算闡明 IrFe-N-C 的高 ORR/OER 催化活性的來源。選擇 IrFeN₆ 作為 ORR 和 OER 計算模型。在 U = 1.23 V 的電位下計算IrN₄ 和 FeN₄ 單原子位點以及 IrFeN₆ 雙原子位點的 ORR Gibbs 自由能圖。值得注意的是，相比于FeN₄ (0.60 eV) 、IrN₄ (0.67 eV) 和 IrFeN₆ (1.24 eV) 中的 Ir 位點，IrFeN₆ (0.56 eV) 中的 Fe 位點顯示出最低的 RDS 能壘，表明 IrFeN₆ 中的 Fe 位點是主要的ORR 活性位。計算進一步發現O* + OH^? → OOH* + e^?過程是 IrN₄、FeN₄ 和 IrFeN₆中的 Fe 位點的 RDS，其能壘（IrN₄ 為 0.82 V，FeN₄ 為 0.63 V，IrFeN₆ 中 Fe 為 0.67 V）比僅為 0.43 eV 的 IrFeN6 中 Ir 位點的 RDS 的能壘高更，表明Ir位點具備最佳的OER 性能。

緊接著計算IrN₄、FeN₄ 和 IrFeN₆ 模型的投影態密度 (PDOS) 和晶體軌道漢密爾頓布居 (COHP)。結果表明，相對于 IrN₄和 FeN₄，IrFeN₆在費米能級具有更高的 PDOS，這將導致反鍵軌道填充增加，從而減弱活性位點與吸附物之間的相互作用，有助于提高 ORR 和OER反應動力學。COHP 分析進一步證實，與單原子 IrN₄ 和 FeN₄ 位點相比，IrFeN₆ 中 Ir/Fe 的反鍵態顯著降低，有助于調節 Ir/Fe 與反應中間體的相互作用，提升IrFe-N-C催化劑活性。

IrFeN₆中的Ir和Fe原子之間存在類電子氣分布，證明IrFeN₆中Ir和Fe原子之間存在電子相互作用。巴德電荷分析發現當 Ir 和 Fe 原子與 N 原子形成化學鍵時，IrFe-N-C 中的 Ir 位點比單原子 Ir-N-C 中的 Ir 位點和 IrFe-N-C 中的 Fe 位點比 Fe?N?C 中的 Fe 位點多 0.11 和0.17 個電子。這種微妙的電子結構調制有利于適度減少催化劑對氧中間體的相互作用。

Zhipeng Yu, Chaowei Si. et al. Iridium?Iron Diatomic Active Sites for Efcient Bifunctional Oxygen Electrocatalysis. ACS Catal. 2022, 12, 9397?9409

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01861

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四單位聯合ACS Catal.: IrFe雙原子位點催化劑用于ORR和OER

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