Self‐Sacrificing Template Synthesis of Carbon Nanosheets Assembled Hollow Spheres with Abundant Active Fe–N4O1 Moieties for Electrocatalytic Oxygen Reduction

材料科学 碳化 纳米片 三聚氰胺 碳纤维 化学工程 纳米技术 催化作用 电催化剂 可逆氢电极 电极 电化学 复合材料 扫描电子显微镜 化学 物理化学 有机化学 复合数 工程类 参比电极
作者
Fei‐Xiang Ma,Zheng‐Qi Liu,Guobin Zhang,Hong‐Shuang Fan,Yue Du,Liang Zhen,Cheng‐Yan Xu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (21): e2207991-e2207991 被引量:30
标识
DOI:10.1002/smll.202207991
摘要

Single-atom Fe-N-C (Fe1 -N-C) materials represent the benchmarked electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR). However, single Fe atoms in the carbon skeletons cannot be fully utilized due to the mass transfer limitation, severely restricting their intrinsic ORR properties. Herein, a self-sacrificing template strategy is developed to fabricate ultrathin nanosheets assembled Fe1 -N-C hollow microspheres (denoted as Fe1 /N-HCMs) by rational carbonization of Fe3+ chelating polydopamine coated melamine cyanuric acid complex. The shell of Fe1 /N-HCMs is constructed by ultrathin nanosheets with thickness of only 2 nm, which is supposed to be an ideal platform to isolate and fully expose single metal atoms. Benefiting from unique hierarchical hollow architecture with highly open porous structure, 2 nm-thick ultrathin nanosheet subunits and abundant Fe-N4 O1 active sites revealed by X-ray absorption fine structure analysis, the Fe1 /N-HCMs exhibit high ORR performance with a positive half-wave potential of 0.88 V versus the reversible hydrogen electrode and robust stability. When served as air-cathode catalysts with ultralow loading mass of 0.25 mg cm-2 , Fe1 /N-HCMs based Zn-air batteries present a maximum power density of 187 mW cm-2 and discharge specific capacity of 806 mA h gZn -1 in primary Zn-air batteries, all exceeding those of commercial Pt/C.
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