Fe Isolated Single Atoms on S, N Codoped Carbon by Copolymer Pyrolysis Strategy for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction

共聚物 氧还原反应 材料科学 氧还原 热解 还原(数学) 氧气 碳纤维 化学工程 无机化学 聚合物 化学 物理化学 有机化学 电化学 几何学 电极 复合材料 工程类 复合数 数学
作者
Qiheng Li,Wenxing Chen,Hai Xiao,Yue Gong,Zhi Li,Lirong Zheng,Xusheng Zheng,Wensheng Yan,Weng‐Chon Cheong,Rongan Shen,Ninghua Fu,Lin Gu,Zhongbin Zhuang,Chen Chen,Dingsheng Wang,Qing Peng,Jun Li,Yadong Li
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:30 (25): e1800588-e1800588 被引量:692
标识
DOI:10.1002/adma.201800588
摘要

Abstract Heteroatom‐doped Fe‐NC catalyst has emerged as one of the most promising candidates to replace noble metal‐based catalysts for highly efficient oxygen reduction reaction (ORR). However, delicate controls over their structure parameters to optimize the catalytic efficiency and molecular‐level understandings of the catalytic mechanism are still challenging. Herein, a novel pyrrole–thiophene copolymer pyrolysis strategy to synthesize Fe‐isolated single atoms on sulfur and nitrogen‐codoped carbon (Fe‐ISA/SNC) with controllable S, N doping is rationally designed. The catalytic efficiency of Fe‐ISA/SNC shows a volcano‐type curve with the increase of sulfur doping. The optimized Fe‐ISA/SNC exhibits a half‐wave potential of 0.896 V (vs reversible hydrogen electrode (RHE)), which is more positive than those of Fe‐isolated single atoms on nitrogen codoped carbon (Fe‐ISA/NC, 0.839 V), commercial Pt/C (0.841 V), and most reported nonprecious metal catalysts. Fe‐ISA/SNC is methanol tolerable and shows negligible activity decay in alkaline condition during 15 000 voltage cycles. X‐ray absorption fine structure analysis and density functional theory calculations reveal that the incorporated sulfur engineers the charges on N atoms surrounding the Fe reactive center. The enriched charge facilitates the rate‐limiting reductive release of OH* and therefore improved the overall ORR efficiency.
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