Molten NaCl‐Assisted Synthesis of Porous Fe‐N‐C Electrocatalysts with a High Density of Catalytically Accessible FeN4 Active Sites and Outstanding Oxygen Reduction Reaction Performance

材料科学 化学工程 微型多孔材料 催化作用 碳纤维 电催化剂 可逆氢电极 电化学 无机化学 电极 化学 物理化学 有机化学 复合数 工作电极 工程类 复合材料
作者
Qing Wang,Yuqi Yang,Fanfei Sun,Guangbo Chen,Jian Wang,Lishan Peng,Wan‐Ting Chen,Lu Shang,Jiaqi Zhao,Dongxiao Sun‐Waterhouse,Tierui Zhang,Geoffrey I. N. Waterhouse
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (19) 被引量:254
标识
DOI:10.1002/aenm.202100219
摘要

Abstract Iron single atom catalysts (FeN 4 ) hosted in the micropores of N‐doped carbons offer excellent performance for the oxygen reduction reaction (ORR). Achieving a high density of FeN 4 sites accessible for ORR has proved challenging to date. Herein, a simple surface NaCl‐assisted method towards microporous N‐doped carbon electrocatalysts with an abundance of catalytically accessible FeN 4 sites is reported. Powder mixtures of microporous zeolitic imidazolate framework‐8 and NaCl are first heated to 1000 °C in N 2 , with the melting of NaCl above 800 °C creating a highly porous N‐doped carbon product (NC‐NaCl). Ferric (Fe 3+ ) ions are then adsorbed onto NC‐NaCl, with a second pyrolysis stage at 900 °C in N 2 yielding a porous Fe/NC‐NaCl electrocatalyst (Brunauer–Emmett–Teller surface area, 1911 m 2 g −1 ) with an excellent dispersion and high density of accessible surface FeN 4 sites (26.3 × 10 19 sites g −1 ). The Fe/NC‐NaCl electrocatalyst exhibits outstanding ORR performance with a high half‐wave potential of 0.832 V (vs reversible hydrogen electrode) in 0.1 m HClO 4 . When used as the ORR cathode catalyst in a 1.0 bar H 2 ‐O 2 fuel cell, Fe/NC‐NaCl offers a high peak power density of 0.89 W cm −2 , ranking it as one of the most active M‐N‐C materials reported to date.
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