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Asymmetric Co?N3P1 Trifunctional Catalyst with Tailored Electronic Structures Enabling Boosted Activities and Corrosion Resistance in an Uninterrupted Seawater Splitting System
Advanced Materials ( IF 27.4 ) Pub Date : 2022-07-04 , DOI: 10.1002/adma.202204021 Xingkun Wang 1 , Xinkun Zhou 2 , Cheng Li 3, 4 , Hanxu Yao 1, 2 , Canhui Zhang 1 , Jian Zhou 1 , Ren Xu 1 , Lei Chu 1 , Huanlei Wang 1 , Meng Gu 3 , Heqing Jiang 2 , Minghua Huang 1
Advanced Materials ( IF 27.4 ) Pub Date : 2022-07-04 , DOI: 10.1002/adma.202204021 Xingkun Wang 1 , Xinkun Zhou 2 , Cheng Li 3, 4 , Hanxu Yao 1, 2 , Canhui Zhang 1 , Jian Zhou 1 , Ren Xu 1 , Lei Chu 1 , Huanlei Wang 1 , Meng Gu 3 , Heqing Jiang 2 , Minghua Huang 1
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Employing seawater splitting systems to generate hydrogen can be economically advantageous but still remains challenging, particularly for designing efficient and high Cl−-corrosion resistant trifunctional catalysts toward the oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER), and hydrogen evolution reaction (HER). Herein, single CoNC catalysts with well-defined symmetric CoN4 sites are selected as atomic platforms for electronic structure tailoring. Density function theory reveals that P-doping into CoNC can lead to the formation of asymmetric CoN3P1 sites with symmetry-breaking electronic structures, enabling the affinity of strong oxygen-containing intermediates, moderate H adsorption, and weak Cl− adsorption. Thus, ORR/OER/HER activities and stability are optimized simultaneously with high Cl−-corrosion resistance. The asymmetric CoN3P1 structure based catalyst with boosted ORR/OER/HER performance endows seawater-based Zn–air batteries (S-ZABs) with superior long-term stability over 750 h and allows seawater splitting to operate continuously for 1000 h. A self-driven seawater splitting powered by S-ZABs gives ultrahigh H2 production rates of 497 μmol h−1. This work is the first to advance the scientific understanding of the competitive adsorption mechanism between Cl− and reaction intermediates from the perspective of electronic structure, paving the way for synthesis of efficient trifunctional catalysts with high Cl−-corrosion resistance.
中文翻译:
具有定制电子结构的不对称 Co?N3P1 三功能催化剂可在不间断的海水分解系统中提高活性和耐腐蚀性
使用海水分解系统产生氢气在经济上具有优势,但仍然具有挑战性,特别是对于设计用于氧还原反应 (ORR)、析氧反应 (OER) 和析氢反应的高效和高耐Cl -腐蚀的三功能催化剂。她)。在此,选择具有明确对称CoN 4 位点的单一CoNC催化剂作为电子结构调整的原子平台。密度函数理论表明,P掺杂CoNC可以导致不对称CoN 3 P 1的形成具有对称破坏电子结构的位点,能够实现强含氧中间体的亲和力、适度的 H 吸附和弱的 Cl -吸附。因此,ORR/OER/HER 活性和稳定性与高 Cl -耐腐蚀性同时得到优化。具有增强的 ORR/OER/HER 性能的不对称Co N 3 P 1结构基催化剂赋予海水基锌空气电池(S-ZABs)超过 750 小时的出色长期稳定性,并允许海水分解连续运行 1000 H。由 S-ZAB 驱动的自驱动海水分解产生 497 μmol h -1的超高 H 2产率. 该工作首次从电子结构的角度推进了对Cl -与反应中间体之间竞争吸附机制的科学认识,为合成具有高Cl -耐腐蚀性的高效三功能催化剂铺平了道路。
更新日期:2022-07-04
中文翻译:
具有定制电子结构的不对称 Co?N3P1 三功能催化剂可在不间断的海水分解系统中提高活性和耐腐蚀性
使用海水分解系统产生氢气在经济上具有优势,但仍然具有挑战性,特别是对于设计用于氧还原反应 (ORR)、析氧反应 (OER) 和析氢反应的高效和高耐Cl -腐蚀的三功能催化剂。她)。在此,选择具有明确对称CoN 4 位点的单一CoNC催化剂作为电子结构调整的原子平台。密度函数理论表明,P掺杂CoNC可以导致不对称CoN 3 P 1的形成具有对称破坏电子结构的位点,能够实现强含氧中间体的亲和力、适度的 H 吸附和弱的 Cl -吸附。因此,ORR/OER/HER 活性和稳定性与高 Cl -耐腐蚀性同时得到优化。具有增强的 ORR/OER/HER 性能的不对称Co N 3 P 1结构基催化剂赋予海水基锌空气电池(S-ZABs)超过 750 小时的出色长期稳定性,并允许海水分解连续运行 1000 H。由 S-ZAB 驱动的自驱动海水分解产生 497 μmol h -1的超高 H 2产率. 该工作首次从电子结构的角度推进了对Cl -与反应中间体之间竞争吸附机制的科学认识,为合成具有高Cl -耐腐蚀性的高效三功能催化剂铺平了道路。