Constructing Fe‐N4 Sites through Anion Exchange‐mediated Transformation of Fe Coordination Environments in Hierarchical Carbon Support for Efficient Oxygen Reduction

电化学 催化作用 碳纤维 化学 离子 水溶液 离子交换 协调数 Atom(片上系统) 氧气 金属有机骨架 纳米技术 材料科学 电极 物理化学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统 吸附 复合材料 复合数
作者
Lingbo Zong,Kaicai Fan,Lixiu Cui,Fenghong Lu,Porun Liu,Bin Li,Shouhua Feng,Lei Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (38) 被引量:37
标识
DOI:10.1002/anie.202309784
摘要

Metal single atoms (SAs) anchored in carbon support via coordinating with N atoms are efficient active sites to oxygen reduction reaction (ORR). However, rational design of single atom catalysts with highly exposed active sites is challenging and urgently desirable. Herein, an anion exchange strategy is presented to fabricate Fe-N4 moieties anchored in hierarchical carbon nanoplates composed of hollow carbon spheres (Fe-SA/N-HCS). With the coordinating O atoms are substituted by N atoms, Fe SAs with Fe-O4 configuration are transformed into the ones with Fe-N4 configuration during the thermal activation process. Insights into the evolution of central atoms demonstrate that the SAs with specific coordination environment can be obtained by modulating in situ anion exchange process. The strategy produces a large quantity of electrochemical accessible site and high utilization rate of Fe-N4 . Fe-SA/N-HCS shows excellent ORR electrocatalytic performance with half-wave potential of 0.91 V (vs. RHE) in 0.1 M KOH, and outstanding performance when used in rechargeable aqueous and flexible Zn-air batteries. The evolution pathway for SAs demonstrated in this work offers a novel strategy to design SACs with various coordination environment and enhanced electrocatalytic activity.
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