調節費米能級附近單原子位點的電子狀態,一直是促進電催化氧還原反應(ORR)的主要問題。基于此,哈爾濱工業大學王振波教授(通訊作者)等人報道了通過在Fe-N4位點上構造軸向配位,提出了一種Fe d-軌道分裂方式調制策略。
實驗研究和理論計算表明,軸向牽引引起了方形平面場(Fe-N4?SP)的畸變,直至準八面體配位(Fe-N4O1?OCquasi),從而導致自旋極化被稀釋的電子重排。對比Fe-N4?SP,Fe-N4O1?OCquasi的動力學電流密度和周轉頻率分別提高了5倍和10倍。
通過DFT計算,作者研究了軸向配體對局部配位幾何和電子構型的影響。計算得到Fe-N四種配位的鍵長完全相等,符合Fe-N4?SP的D4h對稱性。相反,Fe-N鍵長的不同表明了Fe中心在Fe-N4O1?OCquasi中的幾何結構畸變。
電子定位函數(ELF)表明,具有特征平面Fe-N4構型的Fe-N4?SP具有對稱電子結構,而Fe-N4O1?OCquasi中由于O配位的軸向牽引而產生了明顯的電荷極化和扭曲的電子對稱。
此外,Fe-N4O1?OCquasi的d-帶中心下移,Fe中心Bader電荷增加,表明軸向配位接受了Fe中心的部分電子,減少了d軌道的占用,使得電子密度重新分布,自旋極化發生變化。
通過投影態密度(PDOS)計算發現,Fe-N4?SP的Fe 3d PDOS揭示了兩個自旋通道中每個回旋電子的不對稱排列,表明自旋極化明顯。Fe-N4O1?OCquasi的Fe d軌道存在明顯較弱的自旋極化,與計算得到的磁矩和自旋密度圖一致。
Tailoring the?d-Orbital Splitting Manner of Single Atomic Sites for Enhanced Oxygen Reduction.?Adv. Mater.,?2023, DOI: 10.1002/adma.202210757.
https://doi.org/10.1002/adma.202210757.