Active site switching of Fe-N-C as a chloride-poisoning resistant catalyst for efficient oxygen reduction in seawater-based electrolyte

催化作用 电解质 海水 氯化物 化学 无机化学 氧还原 还原(数学) 氧还原反应 氧气 物理化学 电极 电化学 有机化学 地质学 海洋学 几何学 数学
作者
Yi Zhan,Zhao‐Bin Ding,Fan He,Xin Lv,Wei‐Fan Wu,Bing Lei,Yan Liu,Xingbin Yan
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:443: 136456-136456 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.136456
摘要

• A catalyst of atomic Fe on N-doped activated carbon (Fe-N x /NAC) was prepared. • Fe-N x /NAC shows high ORR activity with Cl-resistance in NaCl electrolyte. • Fe-N x /NAC is free from Cl − adsorption at a low potential. • Nearby C atoms act as active sites after Fe center is poisoned at a high potential. It remains a great challenge to develop highly efficient catalysts of oxygen reduction reaction (ORR) applied in seawater electrolyte for aqueous metal-air batteries, because of the extremely low reaction kinetics together with the strong blocking effect of Cl − adsorption. Herein, Fe-N x atomically dispersed on N-doped activated carbon (Fe-N x /NAC) is prepared via a facile adsorption strategy. Fe-N x /NAC shows high catalytic activity in NaCl electrolyte with a diffusion-limited current density of 3.8 mA cm −2 and a half-wave potential (E 1/2 ) of 0.589 V, surpassing commercial Pt/C. The highly efficient ORR activity is attributed to the numerous atomically dispersed Fe-N x moieties, a large surface area of activated carbon support and, most importantly, the poisoning immunity towards chloride ions. Density functional theory calculations reveal that Fe-N x /NAC is free from anions adsorption such as Cl − and OH − at a low potential and the active site gradually switches from Fe center to the C atoms surrounding the Fe-N 4 sites at a high potential, despite the Cl − adsorption on the Fe-N x centers. Furthermore, the good performance in custom-made batteries indicates the promising application of Fe-N x /NAC as a practical ORR catalyst in 3.5 wt% NaCl solution. The study will provide a new insight to the mechanism of chloride-poisoning resistance of a catalyst for the applications in seawater-based electrolyte.
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