应变工程对Ni-N₄/C单原子催化剂的旋转状态的影响及其对电催化物的后果

科学领域:

• 材料科学 材料科学 材料科学
• 电化学 电化学 电化学
• 催化剂是一种催化剂.

背景情况:

• 应变工程对于增强催化剂活性至关重要,特别是在灵活的碳基材料中.
• 由于高活性和原子利用,与碳上的 (M-N/C) 协调的单个原子金属显示出电还原反应的前景.
• 应变对控制Ni-N/C催化活动的电子和几何结构的精确影响仍然在很大程度上未被探索.

研究的目的:

• 研究拉伸应变对Ni-N₄/C催化剂电子结构和催化性能的影响.
• 阐明应变,的旋转状态和氧气和二氧化碳减排的电催化活性之间的关系.
• 为了验证对Ni-N/C电催化剂施加应变的热力学和动力学益处.

主要方法:

• 计算建模分析了在拉力应变下单原子Ni的自旋状态过渡.
• 密度函数理论 (DFT) 的计算用于研究电子结构的变化,包括轨道能量差距.
• 电化学方法,包括隐性溶剂模型和恒定电位模拟,加上微动力学建模来评估催化活性.

主要成果:

• 拉伸应变诱导Ni原子自旋状态从Ni-N₄/C结构中的低自旋转到高自旋转.
• 应变应用缩小了Nid轨道和吸附物的LUMO之间的能量差距,促进了电子转移.
• 对于O₂和CO₂两种电还原的催化活性随着施加的应变而增加,特别值得注意的是2e^- O₂还原途径.

结论:

• 应变工程是一种可行的策略,可以调整单原子催化剂的自旋状态和电子特性.
• 优化拉伸应变可以显著提高Ni-N/C的电催化性能,用于关键的还原反应.
• 这项研究提供了对压力调节单原子催化控制的结构-活性关系的基本见解.