Evolution Pathway from Iron Compounds to Fe1(II)–N4 Sites through Gas-Phase Iron during Pyrolysis

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作者
Jingkun Li,Jiao Li,Evan C. Wegener,Lynne LaRochelle Richard,Ershuai Liu,Andrea Zitolo,Moulay Tahar Sougrati,Sanjeev Mukerjee,Zipeng Zhao,Yu Huang,Fan Yang,Sichen Zhong,Hui Xu,A. Jeremy Kropf,Frédéric Jaouen,Deborah J. Myers,Qingying Jia
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (3): 1417-1423 被引量:181
标识
DOI:10.1021/jacs.9b11197
摘要

Pyrolysis is indispensable for synthesizing highly active Fe-N-C catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in acid, but how Fe, N, and C precursors transform to ORR-active sites during pyrolysis remains unclear. This knowledge gap obscures the connections between the input precursors and the output products, clouding the pathway toward Fe-N-C catalyst improvement. Herein, we unravel the evolution pathway of precursors to ORR-active catalyst comprised exclusively of single-atom Fe1(II)-N4 sites via in-temperature X-ray absorption spectroscopy. The Fe precursor transforms to Fe oxides below 300 °C and then to tetrahedral Fe1(II)-O4 via a crystal-to-melt-like transformation below 600 °C. The Fe1(II)-O4 releases a single Fe atom that diffuses into the N-doped carbon defect forming Fe1(II)-N4 above 600 °C. This vapor-phase single Fe atom transport mechanism is verified by synthesizing Fe1(II)-N4 sites via "noncontact pyrolysis" wherein the Fe precursor is not in physical contact with the N and C precursors during pyrolysis.
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