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Pyrolysis‐Engineered Fe/Mn‐ZIF Catalysts: Balancing Activity, Selectivity, and Stability for the Oxygen Reduction Reaction

材料科学 选择性 电催化剂 催化作用 氧气 氧还原反应 化学工程 沸石咪唑盐骨架 碳纳米管 咪唑酯 碳纤维 热解 纳米颗粒 金属 析氧 氧还原 无机化学 原位 分解 纳米技术 扫描电子显微镜 乙醇
作者
Haoran Ma,Lili Cao,Hongxuan Tang,Jiansheng Liu,Yi Shao,Jianing Ma,Zhanli Chai,Yan Zhao
出处
期刊:Rare Metals [Springer Science+Business Media]
卷期号:45 (4)
标识
DOI:10.1002/rar2.70223
摘要

ABSTRACT Metal oxide‐based catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) have drawn great attention in recent years. However, it remains technically challenging for the precise regulation of the overall performance due to the trade‐off effect among the activity, selectivity, and stability of electrocatalysts. Herein, a balancing strategy to control the evolution of surface oxygen species of iron/manganese based zeolitic imidazolate framework (Fe/Mn‐ZIF) has been proposed by tuning the pyrolysis temperature and heating rates. In alkaline electrolyte, the Mn‐doped Fe 3 C nanoparticles (NPs) tightly encapsulated in nitrogen‐doped carbon nanotubes (FMC‐NC, 260–370°C at 10°C min −1 ) display direct 4e − pathway with higher ORR activity ( E 1/2 = 0.84 V), lower H 2 O 2 selectivity (4.73%), and excellent durability (88.0% after 6 h). The Mn‐doped Fe 3 C NPs encapsulated in larger‐sized nitrogen‐doped carbon nanotubes (FM‐NC, at 3°C min −1 ) shows a higher half‐wave potential ( E 1/2 = 0.87 V) but poorer stability (54.8% after 6 h), and FMC‐NC mixed with Fe‐doped MnOOH (FMO‐NC, 460–650°C at 10°C min −1 ) follows a 2e − ORR pathway with only a superior 2e − ORR selectivity (94.9%). The performance of FMC‐NC electrocatalyst surpasses most of the reported Fe‐based and carbon‐based electrocatalysts in 0.1 M KOH electrolyte. In situ heating electron microscopy analysis shows the evolution process of the surface/adsorbed oxygen and metals in different temperature ranges, which enables the effective control of the products via differential pyrolysis. Theoretical calculations and in situ spectra demonstrate that FMC‐NC sample has a strong metal‐support interaction confirming the optimal balance among activity, stability, and selectivity for ORR. This work not only provides an ORR electrocatalyst with outstanding performance but also proposes a balancing strategy to control the evolution of surface oxygen species.
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