国科大刘向峰Small：用于稳定的低过电位锂氧电池的Pd-N4单原子催化剂

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单原子催化剂在加速锂氧（Li-O ₂ ）电池的析氧反应（OER）的动力学方面显示出良好的前景。然而，目前对其独特的原子结构和OER机制之间的关系的理解有限。

基于此， 中国科学院大学刘向峰教授（通讯作者）等人 报道了一种模板辅助法合成固定在氮掺杂碳球上的原子分散的Pd作为正极催化剂。以Pd SAs/NC为正极的Li-O ₂ 电池实现了低至0.24 V的充电过电位，可持续的低过电位循环稳定性（500 mA g ^-1 ），并能保持低充电电压至极高的容量（10000 mAh g ^-1 ）。

通过DFT计算，进一步了解了催化剂的表面结构对Li ₂ O ₂ 分解过程的可能影响。LiO ₂ 在Pd-N ₄ 和NC表面的吸附能分别为-0.49 eV和-2.37 eV，LiO ₂ 和Pd-N ₄ 之间较弱的吸附能是影响Li ₂ O ₂ 分解的关键因素，从而导致较低的解离过电位。LiO ₂ 和Pd-N ₄ 之间适度的吸附相互作用和容易的电荷转移，有利于放电产物的有效分解。

投影态密度（PDOS）图表明，与Pd颗粒（Pd _n ）相比，Pd-N ₄ 的d带中心左移，降低了中间体与金属中心的化学吸附强度。此外，Pd 4d轨道与LiO ₂ 的O 2p轨道的部分重叠表明Pd-O键的共价性较弱，进一步表明LiO ₂ 在Pd-N ₄ 表面的吸附较弱。

不同电位下Pd SAs/NC和NC表面的放电/充电反应的自由能图表明，Pd SAs/NC和NC对充电反应的速率决定步骤都是LiO ₂ 氧化步骤。对于Pd SAs/NC电极，计算的U ₀ 为1.786 V，对应的充电过电位为0.28 V。 而计算得到的NC电极的U ₀ 为2.101 V，充电过电位为0.9 V，远高于Pd SAs/NC电极。

总之，DFT计算证实了暴露的Pd-N ₄ 活性位点可以有效地抑制Li-O ₂ 电池的充电过电位。

Single-Atom Pd-N ₄ Catalysis for Stable Low-Overpotential Lithium-Oxygen Battery. Small , 2022 , DOI: 10.1002/smll.202204559.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202204559 .

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