平面四方配位钴单原子电催化剂通过调控a1g-b1g轨道占据状态提升析氧反应及锌空气电池性能

《Journal of Colloid and Interface Science》：Modulating a 1g-b 1g-orbital occupied states of planar square-coordinated cobalt single-atom electrocatalyst for oxygen evolution reaction and rechargeable Zn-air batteries

本文报道了一种通过单原子钴掺杂调控氧化铜（CuO）a1g-b1g轨道占据状态的高效析氧反应（OER）电催化剂（Co-CuO）。该催化剂在碱性介质中表现出卓越活性（10 mA cm?2时过电位仅280 mV）和稳定性（50 mA cm?2下持续130小时），理论计算揭示其高活性源于平面四方晶体场中钴单原子dz2/dx2-y2轨道电子自旋态优化，为调控氧中间体吸附提供了新范式。

　　

亮点

化学品与材料

此处使用的所有化学品和溶剂均为分析纯，无需进一步纯化。氢氧化钠（NaOH）、过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈）、浓盐酸（HCl）、丙酮（C₃H₆O）、无水乙醇（C₂H₅OH）、六水合氯化钴（CoCl₂·6H₂O）、六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O）、四水合氯化锰（MnCl₂·4H₂O）、七水合硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）以及高纯度锌片（厚度：0.25 mm）均购自国药集团。

结果与讨论

典型的氧化铜（CuO）晶体结构由一个铜原子与四个氧原子在同一平面内配位构成，呈现出经典的平面四方配位。由于其反铁磁性特性，自旋极化程度较低。如图S1b所示，由于平面四方晶体场的分裂，d轨道被分裂成一个双重简并的d_xz/yz轨道和三个非简并的d_z²、d_xy和d_x²-_y²轨道。其中，非简并的d_z²和d_x²-_y²轨道...

结论

总之，我们通过三步法合成了钴单原子掺杂的氧化铜，这种具有优化a_1g-b_1g轨道占据状态的钴单原子催化剂表现出增强的析氧活性和优异的稳定性，并在锌空气电池中展现出巨大的应用潜力。通过广泛的实验和理论分析，我们合理地提出了OER性能提升的原因如下：a) Co-CuO催化剂显著增强了...