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?鄭大張佳楠Nano Energy：調(diào)控Fe-N-C的自旋狀態(tài)助力ORR

原子分散的Fe-N-C催化劑是氧還原反應(yīng)（ORR）中Pt基催化劑的最有希望替代品，但Fe-N_x電催化劑在酸中ORR活性不足。有報(bào)道證實(shí)了單原子金屬-N-C位點(diǎn)配體場在提高催化性能的重要作用，但其機(jī)制仍不明確。

基于此，鄭州大學(xué)張佳楠教授（通訊作者）等人報(bào)道了基于配體場理論，通過轉(zhuǎn)換富缺陷的吡咯N-配位FeN_x位點(diǎn)，調(diào)節(jié)電子容易穿透氧的反鍵π-軌道，實(shí)現(xiàn)了SA Fe-N-C中Fe活性中心的電子自旋態(tài)從FeN₅（Fe-N₅-LS）的低自旋態(tài)（LS）到FeN₄（Fe-N₄-HS）和FeN₃（Fe-N₃-HS）的高自旋態(tài)（HS）的轉(zhuǎn)變。

為準(zhǔn)確確定三種樣品的精確配位結(jié)構(gòu)，采用DFT+U計(jì)算不同可能模型結(jié)構(gòu)的形成能，模型1和模型2分別代表Fe-N₅-1和Fe-N₅-2的可能結(jié)構(gòu)。

模型3-6表示Fe-N₁-1、Fe-N₄-3、Fe-N₄-2和Fe-N₄-4的可能結(jié)構(gòu)。

模型7和8分別表示Fe-N₁-1和Fe-N₃-2的可能結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)形成能來看，F(xiàn)e-N₅-LS、Fe-N₄-HS和Fe-N₃-HS最可能的結(jié)構(gòu)分別為Fe-N₅-2、Fe-N₄-4和Fe-N₃-1。

Fe的態(tài)密度（PDOS）投影發(fā)現(xiàn)，自旋通道中d-軌道電子的不對稱排列，表明自旋極化。

根據(jù)d-帶中心理論（d-帶中心的能級決定了催化劑表面活性位點(diǎn)和被吸附分子的吸附強(qiáng)度，能級越高，吸附能力越強(qiáng)）和Sabatier原理，可以看出只有有合適的d-帶中心能級（Ed）來平衡中間體（*OH、*O和*OOH）的吸附和解吸，催化劑才能達(dá)到較高的ORR活性。

Altering the spin state of Fe-N-C through ligand field modulation of single-atom sites boosts the oxygen reduction reaction. Nano Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.108020.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108020.

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