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白正宇AFM: Fe-N-C 催化剂的晶面应变策略用于电催化ORR

时间：2022-07-31 来源： 浏览：

白正宇AFM: Fe-N-C 催化剂的晶面应变策略用于电催化ORR

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河南师范大学白正宇课题组等人 报道“晶面应变策略”，即利用包裹在石墨 Fe-N-C 层中的 FeCo 纳米粒子的 {110} 晶面的跨层压缩应变进一步激活石墨亚层上的原始 FeN 4  催化中心的催化潜力。设计的催化剂表现出增强的 ORR 活性，优于原始的 Fe-N-C 和商业 Pt/C 标准催化剂。
DFT计算评估 FeCo{110} 晶面对 FeCoNP@FeSA-N/C 催化剂中石墨亚层上不可及的 FeN 4  位点的影响。FeCo{110}晶面跨层应变下Fe-N长度收缩0.95%，这种压缩的 FeN 4 可能导致电子构型的变化，从而导致Fe中心与 ORR 中间体的吸附能发生变化。巴德电荷分析揭示两个模型Fe中心之间的电子损失数 为0.046；差分电荷密度图显示复合模型中变形的 FeN 4  发生电荷再分布。
DFT进一步研究应变引起催化中心电子再分布导致的吸附能变化。自由能变化和反应过程图表明，模型中的Fe原子通过显示更多的正自由能反应阶段，显示出比原始Fe-N-C更低的吸附能力； 通过使用 1.23 V 过电位，两种模型的 RDS 被确定为 OH* 到 H 2 O 的过程，因为 OH* 的强吸附阻碍随后的解吸形成 H 2 O ； 复合模型显示 0.720 V 的过电位低于原始模型的 1.138 V，表明复合模型的RDS过程更容易 。 电子占据轨道的状态密度（DOS）分析用于评估结合能力。Fe原子的部分DOS显示复合模型中的d xy  + d yz 和d z2 轨道从-5-2 eV范围正向移动到费米能级附近的位置（-2-0 eV）。
结合能的增加表明在 ORR 过程中，中心Fe原子与 O 物种的结合效应降低。随后，对每个 ORR 步骤进行DOS 分析。Fe d xy  + d yz 、d z2  和 O 2p 之间的重叠在 RDS 中也正向移动；表明 Fe-OH* 的结合效应降低，这将促进解吸和最终产物的形成。这些结果揭示FeCoNP@FeSA-N/C 催化剂中不可及的石墨 FeN 4  亚层的跨层应变对FeN 4 催化中心的有利影响。
Yang Yuan, Qing Zhang  et al . Facet Strain Strategy of Atomically Dispersed Fe-N-C Catalyst for Efcient Oxygen Electrocatalysis. Adv. Funct. Mater. 2022, 2206081
https://doi.org/ 10.1002/adfm.202206081
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