Synergistically enhanced single-atomic site Fe by Fe3C@C for boosted oxygen reduction in neutral electrolyte

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作者
Xiaoqian Wei,Shaojia Song,Nannan Wu,Xin Luo,Lirong Zheng,Lei Jiao,Hengjia Wang,Qie Fang,Liuyong Hu,Wenling Gu,Weiyu Song,Chengzhou Zhu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:84: 105840-105840 被引量:132
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105840
摘要

Developing single-atomic site (SAS) catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) with superior activities in the renewable-energy initiatives is critical but remains challenging. Herein, exceptional SAS Fe boosted by adjacent graphene-encapsulated Fe3C nanocrystals (Fe3[email protected] SAS) is constructed for ORR. Because of the strong synergistic effects between SAS Fe and Fe3[email protected] nanocrystals, Fe3[email protected] SAS shows robust ORR performance in the neutral electrolyte with the onset potential of 0.99 V and negligible activity loss after 30 k cycles of an accelerated durability test, much better than that of Pt/C catalyst. Notably, the integrated zinc-air battery in the neutral system exhibits an outstanding peak power density of 74.8 mW/cm2 and durability over 100 h, representing a state-of-the-art PGM-free ORR catalyst. More importantly, the density functional theory (DFT) calculations shed light on that the introduction of Fe3[email protected] nanocrystals is favorable for the activation of O2 molecules and desorption of OH* on the Fe SAS, resulting in accelerated reaction kinetics and promising ORR activity. Given the explicit structure-performance relationships for Fe3[email protected] SAS, this work provides a new strategy for the design of more advanced energy-based electrocatalysts.
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