Modulation de la structure électronique induite par la synergie des clusters de cobalt à faible nucléarité et des sites mononucléaires pour une électrocatalyse de l'oxygène efficace

Le développement de catalyseurs à atomes uniques bifonctionnels haute performance pour des applications telles que les batteries zinc-air est grandement freiné par des réactions de réduction et d'évolution de l'oxygène (ORR et OER) modérées. Dans ce contexte, nous rapportons un électrocatalyseur bifonctionnel pour l'oxygène conçu pour surmonter ces limitations. Le catalyseur se compose de clusters de Co à faible nucléarité bien dispersés et d'atomes uniques de Co adjacents sur une matrice de carbone dopée à l'azote (CoSA+C/NC). Des structures électroniques asymétriques précisément ajustées sont obtenues avec de fortes interactions électroniques entre ces espèces de Co. Les clusters de Co optimisent la force d'adsorption/désorption des intermédiaires oxygénés sur les sites monocatalytiques de Co afin de conférer une activité exceptionnelle dans des conditions alcalines avec un potentiel de demi-onde (E1/2) de 0,91 V et un surpotentiel (η) de 340 mV à 10 mA cm-2. De plus, une batterie zinc-air assemblée avec CoSA+C/NC atteint une densité de puissance élevée de 284,1 mW cm-2 et une longue durée de vie opérationnelle de 400 h, supérieure à celle du Pt/C + RuO2 de référence. Les résultats expérimentaux et l'analyse théorique révèlent que l'activité bifonctionnelle améliorée provient des interactions synergiques entre les clusters de Co et les sites monocatalytiques de Co. Par conséquent, le surcroisement de *OH est réprimé avec un retrait accéléré de *OH. Ce travail établit le principe de conception de catalyseurs électrochimiques avancés avec des espèces métalliques multiphasiques portant de fortes interactions électroniques.