Engineering FeN4 active sites onto nitrogen-rich carbon with tubular channels for enhanced oxygen reduction reaction performance

氮气 氧还原反应 碳纤维 还原(数学) 氧气 氧还原 化学 化学工程 材料科学 纳米技术 电极 物理化学 有机化学 电化学 复合材料 数学 几何学 复合数 工程类
作者
Fenghong Lu,Kaicai Fan,Lixiu Cui,Bin Li,Yu Yang,Lingbo Zong,Lei Wang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:313: 121464-121464 被引量:91
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.121464
摘要

Nitrogen coordinated Fe single atoms (Fe-N x SAs) anchored in carbon support is one of the most efficient electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR). Engineering the microenvironment of Fe-N x sites to achieve enhanced activity is still challenging. Herein, we theoretically demonstrate that nitrogen dopants in carbon skeletons can optimize the adsorption of ORR intermediates on Fe-N 4 sites. Then, we introduce a rational strategy to anchor Fe-N 4 sites in nitrogen-rich carbon support with abundant tubular channels (Fe-SAs@NCTCs). Fe-SAs@NCTCs exhibits encouraging ORR performance with a half-wave potential of 0.91 V in 0.1 M KOH and 0.80 V in 0.1 M HClO 4 . The assembled rechargeable Zn–air battery presents high power density and operates steadily with a narrow voltage gap of 0.76 V for 650 h. The results verify that the outstanding ORR activity can be attributed to the abundant nitrogen dopant, hierarchical porous structure, and abundant tubular channels. • DFT reveals that Fe-(N-C 2 ) 4 -2N achieves optimal adsorptions of ORR intermediates. • Fe-SAs@NCTCs possesses abundant Fe SAs in nitrogen-rich carbon support. • Hierarchical porous structure with tubular channels renders rapid mass transport. • Fe-SAs@NCTCs exhibits remarkable ORR performances in alkaline and acidic media. • Zn–air battery assembled using Fe-SAs@NCTCs shows excellent performance.
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