開(kāi)發(fā)高性能、低成本的非貴金屬基電催化劑對(duì)提高ORR/OER催化活性具有重要意義。一個(gè)有前景的策略是引入其他金屬單原子以形成雙原子催化劑(DAC)，然而目前仍然缺乏DAC設(shè)計(jì)的精確指導(dǎo)和雙位點(diǎn)電子交互的比較研究以了解活性增強(qiáng)的來(lái)源以及雙金屬位點(diǎn)對(duì)反應(yīng)機(jī)理的協(xié)同影響。
基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)邱華軍、林熹和袁群惠等使用密度泛函理論(DFT)模擬來(lái)揭示兩個(gè)異核金屬原子之間的電荷轉(zhuǎn)移。
首先，研究人員通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算，將兩個(gè)過(guò)渡金屬原子（從Fe、Co和Ni中選擇）構(gòu)建到N摻雜的石墨烯上來(lái)找出最佳組合。通常，F(xiàn)e和Co位點(diǎn)分別對(duì)氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)具有高活性，將Co和Fe結(jié)合形成CoFe-N-C不僅進(jìn)一步提高了Fe的ORR和Co的OER活性，而且大大提高了Co位點(diǎn)的ORR和Fe位點(diǎn)點(diǎn)的OER活性。
因此，根據(jù)DFT計(jì)算所制備的CoFe-N-C DAC催化劑在10 mA cm-2電流密度下具有360 mV的低OER過(guò)電位，并且其在1.59 V下進(jìn)行25小時(shí)測(cè)試后，活性保持率約為96.6%。
此外，通過(guò)在不同電流密度下連續(xù)放電，CoFe-N-C基電池表現(xiàn)出更高的放電電壓；當(dāng)電流密度從5 mA cm-2增加到50 mA cm-2時(shí)，CoFe-N-C的放電電壓僅下降22.4%，而Pt/C-IrO2的放電電壓下降了30.4%。這項(xiàng)工作展示了雙金屬位點(diǎn)之間的協(xié)同電子相互作用以及如何使用它來(lái)提高催化性能。
Theoretically Revealed and Experimentally Demonstrated Synergistic Electronic Interaction of CoFe Dual-Metal Sites on N-doped Carbon for Boosting Both Oxygen Reduction and Evolution Reactions. Nano Letters, 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00658
