單原子催化劑（SACs）作為鉑（Pt）基催化劑的有希望替代品，存在中心金屬選擇有限和單原子負(fù)載量低的問題。基于此，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮院士和于明浩研究員、萊比錫研究中心Agnieszka Kuc（通訊作者）等人報道了一種用于氧還原反應(yīng)（ORR）的具有非平凡軸向O-配體的五配位鋯（Zr）基SACs（O-Zr-N-C）。
量子力學(xué)模擬表明，軸向O-配體在降低Zr的d帶中心和削弱O中間體在單原子Zr位點(diǎn)上的吸附能方面具有重要作用，使得O-Zr-N-C具有Pt競爭性O(shè)RR活性。在0.1 M KOH電解液中，O-Zr-N-C催化劑表現(xiàn)出0.91 V vs. RHE的高半波電位，在0.80 V vs. RHE時具有高達(dá)76.0 mA cm-2的動力學(xué)電流密度，以及在0.70 V vs. RHE下運(yùn)行130 h后具有92%電流保持率，具有超長耐用性，超過了最先進(jìn)的SACs。
此外，單原子Zr位點(diǎn)獨(dú)特的五配位構(gòu)型可以抵抗原子聚集，從而能夠合成具有高Zr負(fù)載量（9.1 wt%）的O-Zr-N-C催化劑。將O-Zr-N-C這種高負(fù)載催化劑用于組裝的鋅-空氣電池（ZAB）實(shí)現(xiàn)了高達(dá)324 mW cm-2的功率密度，代表了已報道的基于SAC的ZABs中的最先進(jìn)水平。
該研究結(jié)果為修改或重新設(shè)計(jì)更好的基于Zr的SACs提供了有價值的指導(dǎo)。同時，除了面內(nèi)配位結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)外，控制軸向配位可能是先進(jìn)SACs朝著ORR和其他電催化過程的新設(shè)計(jì)方向。
Atomically Dispersed Pentacoordinated-Zirconium Catalyst with Axial Oxygen Ligand for Oxygen Reduction Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202209746.
https://doi.org/10.1002/anie.202209746.
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