Evolution Pathway fromIron Precursors to Fe–N4 Single-Atom Catalysts viaHigh-Temperature Cyanide CoordinationChemistry

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作者
Dongxu Cao (1852894),Weishen Song,Meixi Zhang,Haoran Wang (272166),Na Yang (266025),Ji Yang (114503),Ruixuan Qin,Nanfeng Zheng (1525303)
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c08417.s001
摘要

The rational synthesis of atomically dispersed iron–nitrogen–carbon (Fe–N–C) catalysts is hindered by the opacity of the high-temperature pyrolysis, in which the specific chemical drivers of active site formation remain elusive. Here, we employ a spatially separated chemical vapor pyrolysis strategy to decouple this process and probe the role of vapor-phase nitrogen-containing species in the evolution from iron oxide aggregates to isolated Fe–N4 sites. In this model system, HCN is found to be more effective than NH3 in promoting the disintegration of FeOx aggregates through the transient formation of FeCN intermediates. We further identify a synergistic process in which HCN facilitates FeOx aggregate dispersion, while Fe species reciprocally catalyze the dissociation of HCN, thereby accelerating the construction of nitrogen-rich support that stabilizes the dispersed Fe atoms. Spectroscopic analysis and ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations collectively support this ligand-mediated atomization pathway and pinpoint the temperature onset of Fe–N4 formation at 800 °C. This method effectively deconvolutes the Fe–N4 formation from supremely complex pyrolysis processes, illuminating pathways for the controllable design of M–N–C catalysts.
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