Edge-hosted Fe-N3 sites on a multiscale porous carbon framework combining high intrinsic activity with efficient mass transport for oxygen reduction

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作者
Jingjing Liu,Zhichao Gong,Christopher S. Allen,Wen Ge,Haisheng Gong,Jiangwen Liao,Jianbin Liu,Kang Huang,Minmin Yan,Rui Liu,Guanchao He,Juncai Dong,Gonglan Ye,Huilong Fei
出处
期刊:Chem catalysis [Elsevier BV]
卷期号:1 (6): 1291-1307 被引量:152
标识
DOI:10.1016/j.checat.2021.09.012
摘要

Metal- and nitrogen-coordinated nanocarbons (M-N/Cs) represent the most promising nonprecious catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR), but it remains challenging to simultaneously achieve high intrinsic activity, fast mass transport, and efficient utilization of active sites in a single catalyst. Herein, we design an Fe-N/C catalyst consisting of edge-hosted Fe-N3 sites dispersed on multiscale porous carbon frameworks (eFe-N3/PCF). The low coordination and edge effect of the Fe-N3 moieties endow eFe-N3/PCF with high intrinsic activity, while the enriched nanopores enable improved mass transport and atom utilization efficiency. When evaluated by a rotating disk electrode in the base, eFe-N3/PCF presents early-onset and half-wave potentials of 1.090 and 0.934 V versus the reversible hydrogen electrode, respectively. Furthermore, when employed as gas diffusion electrodes, eFe-N3/PCF displays excellent mass-transport efficiency that enables high-rate/power capabilities at practically high current densities. This work opens up opportunities for designing high-performance ORR electrocatalysts toward applications in diverse energy conversion and storage technologies.
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