Regulierung des atomaren Fe-Rh-Stellenabstands für eine effiziente Sauerstoffreduktionsreaktion

In einer Studie veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft China ChemieDie Autoren entwerfen und untersuchen systematisch den Ortsabstandseffekt von Fe-Rh-Atom-Katalysatoren (Fe-Rhx@NC), die durch N-dotiertes Graphen unterstützt werden, für ORR durch einen integrierten theoretischen und experimentellen Ansatz.

Unter Verwendung des elektrostatischen Potentials (ESP) und der Bader-Ladungsanalyse sagen theoretische Berechnungen voraus, dass der Ortsabstandseffekt die katalytische elektronische Struktur verschiedener Fe-Rh-Atomplatzabstände (dFe-Rh) verändert und so die Adsorptionsstärke des Katalysators optimiert.

Basierend auf diesen theoretischen Berechnungen entwarfen die Autoren die Fe-Rhx@NC-Katalysatoren mithilfe einer räumlichen Einschlussstrategie und synthetisierten die Fe-Rhx@NC-Katalysatoren mit unterschiedlichem dFe-Rh.

Hochwinkelige toroidale Dunkelfeld-TEM-Bilder (HAADF-STEM) belegen außerdem die erfolgreiche Synthese von Katalysatoren bei unterschiedlichen Fe-Rh-Atomabständen. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) zeigten den Einfluss des Ortsabstands auf die Stärke der Wechselwirkung zwischen Fe und Rh.

Das Fe-Rh2@NC hat den optimalen Atomabstand, um das positivste Onset-Potential (Eonset) und ein Halbwellenpotential (E1/2) von 1,01 und 0,91 V vs. RHE im Vergleich zu Fe-Rh1@NC (0,96) bereitzustellen und 0,88 V) und Fe@NC (0,96 und 0,87 V), sogar höher als kommerzielles Pt/C (0,98 und 0,86 V).

Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zeigen, dass Fe-Rh2@NC bei geeigneter Adsorptionsenergie moderat mit O2 interagieren kann, was zur Förderung des kinetischen Prozesses der ORR beiträgt. Im Vergleich zu Fe@NC weist der Fe-Rh2@NC-Katalysator eine höhere projizierte Zustandsdichte in der Nähe des Fermi-Niveaus auf, was darauf hinweist, dass der bimetallische Fe-Rh2@NC-Katalysator über eine stärkere Fähigkeit zur Elektronenübertragung und eine höhere katalytische Leistung verfügt.

Der assoziierte Forscher Ding Tao und Professor Yao Tao von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas leiteten diese Studie. Die Experimente wurden mittels Berechnung der Dichtefunktionaltheorie und Techniken zur Charakterisierung der Synchrotronstrahlung durchgeführt.