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Short nanotubular Fe-N-C catalysts with curved catalytic sites and contributing regions for oxygen reduction reaction

催化作用 氧还原反应 铂金 碳纳米管 密度泛函理论 兴奋剂 化学工程 材料科学 化学 纳米技术 无机化学 物理化学 计算化学 有机化学 电化学 工程类 电极 光电子学
作者
Ruixue Li,Yun Hao,Yuhan Liu,Peng Li,Jingjun Liu
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier BV]
卷期号:984: 174002-174002 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2024.174002
摘要

The substantial advances of non-precious Fe-N-C materials with both high activity and stability to replace platinum-based catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells remain a great challenge, since their intrinsic active site design and contributing microstructure exploration are still unclear. Herein, we propose a solid-phase thermal migration strategy to synthesize Fe, N co-doped nanocarbons with a short nanotubular structure, using ferrocene as Fe source and polyaniline (PANI) as N-doped carbon nanotubes (NCNTs) source. In acidic and alkaline environments, the thermally activated Fe-N-C exhibits efficient ORR performance, and half-wave potential is 30 mV higher than a commercial Pt/C (JM, 20 wt% Pt) in alkaline medium and only 100 mV less than the Pt/C in acidic media. Impressively, the catalyst used in zinc-air battery exhibits an outstanding power density of 144.74 mW·cm−2, higher than the one assembled by the Pt/C (125.67 mW·cm−2). Combining experimental and density functional theory (DFT) calculation results, the superior ORR activity should be attributed to the formation of the efficient off-plane Fe-pyridinic-N4 species at end of the nanotubes. More important, these zigzag-type Fe-pyridinic-N4 sites at the end regions serve as the main active sites, leading to a higher ORR activity. This work opens a door to clarify the active catalytic site types and the contributing microregions of the Fe-N-C catalysts, providing ideas for designing non-noble metal catalysts with curved surfaces and rich edge structures.

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