FeCu-катализатор из одиночных атомов дал потенциал полуволны 0,88 В в реакции восстановления кислорода

Катализатор FeCu-NC на азотсодержащем углероде с двумя типами одиночных атомов и соседними центрами FeN4 и CuN4 описан в Science China Chemistry (DOI 10.1007/s11426-026-3509-x, dx.doi.org). В реакции восстановления кислорода (ORR) в 0,1 M KOH потенциал полуволны составил 0,88 В относительно обратимого водородного электрода dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗. По данным авторов, активность и стабильность при циклировании у него выше, чем у коммерческого Pt/C dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗. В испытаниях цинк-воздушных батарей FeCu-NC также показал лучшие разрядные характеристики, чем Pt/C dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗.

Почему понадобилась настройка центра Fe

ORR — ключевой катодный процесс в топливных элементах и металл-воздушных батареях, а медленная кинетика ограничивает эффективность преобразования энергии в этих устройствах. Одноатомные катализаторы Fe–N–C сочетают высокую степень использования атомов с настраиваемой локальной электронной структурой и считаются одной из самых перспективных альтернатив катализаторам на основе платины. Однако обычные центры FeN4 недостаточно адсорбируют и активируют O2, а сила адсорбции промежуточных продуктов ORR на них неблагоприятна. Поскольку электронная структура и спиновое состояние центра Fe определяют его взаимодействие с кислородными частицами, авторы занялись регулированием этого спинового состояния.

Структура и механизм

Структурный анализ показал, что Fe и Cu диспергированы атомарно и образуют пространственно соседние координационные структуры Fe–N4 и Cu–N4 dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗. В этой конструкции атомы Cu служат электронными и спин-регулирующими элементами для активных центров Fe. Эксперименты и теоретические расчёты вместе подтвердили, что соседние атомы Cu заметно усиливают спиновую поляризацию на центрах Fe dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗.

Изменение спинового состояния сдвигает d-зону Fe вверх и повышает плотность реакционноспособных состояний вблизи уровня Ферми dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗. Это усиливает взаимодействие Fe–O2, облегчает адсорбцию и первичную активацию O2 и ускоряет кинетику ORR dx.doi.orgdx.doi.orgdx.doi.orgОткрыть источник ↗. Авторы описывают результат как стратегию регулирования спинового состояния в одноатомных катализаторах через соседние атомы и как описание связи между спином активного центра и активацией кислорода. Приведённые данные получены в лабораторных электрохимических измерениях и испытаниях цинк-воздушных батарей.