Fe–Co Dual-Atom Catalyst Prepared by a Defect-Confining Nitrogen-Rich Ion Strategy for Efficient Oxygen Reduction Reaction

材料科学 催化作用 氧还原反应 氮气 氧气 离子 对偶(语法数字) Atom(片上系统) 还原(数学) 氧原子 光化学 化学工程 无机化学 物理化学 电极 有机化学 分子 电化学 化学 艺术 几何学 嵌入式系统 计算机科学 数学 工程类 文学类
作者
Xiaopeng Zhang,Cheng Gao,Lin Chen,Xiaoming Yan,Ning Zhang,Junjiang Bao,Anmin Liu,Gaohong He
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (27): 39204-39217 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.5c08166
摘要

Dual-atom catalysts demonstrate promising activity in the oxygen reduction reaction (ORR). In the present work, a two-step pyrolysis method was used to prepare an Fe/Co dual-atom catalyst (FeCo-NC). First, Fe–Zn-ZIF was pyrolyzed to fix the zeolitic–imidazolate framework (ZIF) structure and form defects with a negative charge via Zn evaporation. Second, the defect-rich carbon matrix was used to adsorb guest molecules with nitrogen-rich ([Co(en)3]3+), and then it underwent a secondary pyrolysis to yield FeCo-NC. The presence of defects can confine [Co(en)3]3+, and the abundant nitrogen within [Co(en)3]3+ facilitates coordination with Fe and Co atoms, effectively preventing the aggregation of metal species. Furthermore, there are a large number of nanotubes in FeCo-NC that combine with pyrolyzed ZIFs to enhance electron transfer. The density functional theory results suggest that the hydrogenation of OH* is the decisive step for ORR. The asymmetric charge distribution between Fe and Co atoms is able to lower the activation energy for the resolution step of OH*, which leads to a remarkable ORR performance with a positive E1/2 in 0.1 M KOH (0.92 V). Moreover, the assembled liquid Zn–air battery achieved a power density of 180.02 mW cm–2 and was able to operate continuously for more than 200 h. Solid Zn–air battery measurements confirm the practical applicability of the FeCo-NC.
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