蒋青/杨春成Nano Letters：SbSA-N-C助力ORR和Zn-空气电池

p-嵌段金属基单原子催化剂（SACs）具有Fenton-非活性特性和独特的p电子可与O₂分子杂交的优点，在氧还原反应（ORR）中具有巨大的应用潜力。然而，由封闭的d¹⁰电子结构引起的不良本征活性仍然是一个主要挑战。

基于此，吉林大学蒋青教授和杨春成教授、加拿大多伦多大学Chandra Veer Singh等人报道了一种具有碳空位增强的Sb-N₄活性中心的Sb基SAC，其具有优异的ORR性能。所制备的Sb_SA-N-C具有0.905 V的正半波电位，在碱性环境中具有良好的结构稳定性。同时，基于Sb_SA-N-C的Zn-空气电池表现出181 mW cm^-2的高功率密度，在实际应用中显示出巨大的潜力。

VASP解读

通过DFT计算，作者研究了Sb_SA-N-C的催化机理。计算结果显示Sb_SA-N-C中吡啶N的含量高于吡啶N，表明吡啶N原子有更多的机会与Sb结合。因此，作者选择了具有四个吡啶N原子的Sb-N₄位点的构型，在第二配位球上具有6个可能的碳空位（位点A-F）。

结果表明，在热力学中，碳空位最有可能在N原子附近形成。局域态密度（LDOS）曲线所示，在Sb-N₄位点周围的第二配位球内碳空位的存在导致Sb-N-C_v中的Sb p轨道向费米能级显著移动，表明第二配位球中的碳空位在Sb的活性位点上引起了类似配体的效应，激活了Sb原子p轨道上的电子。

结合Bader电荷分析，发现Sb和N原子有0.47个电子转移到O₂*的π*反键轨道上，提供了活化的证据。此外，O₂的延伸键长表明吸附的O₂被激活。Sb-吡啶N和Sb-吡啶N构型在降低势垒方面起着重要的作用，从而导致在ORR方面具有出色的电化学性能。总之，研究结果表明N₄第一配位壳与第二配位球内的空位之间存在协同相互作用，从而提高了稳定性和催化效率。

Vacancy-Enhanced Sb-N₄ Sites for the Oxygen Reduction Reaction and Zn-Air Battery. Nano Lett., 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00808.

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蒋青/杨春成Nano Letters：SbSA-N-C助力ORR和Zn-空气电池

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