Understanding the Three-Shell Coordination Structure–Performance Relationship of Single-Atom Sites for Oxygen Reduction Using Molecular Model Catalysts

催化作用 氧原子 Atom(片上系统) 氧还原反应 还原(数学) 壳体(结构) 化学 氧气 氧还原 结晶学 材料科学 化学物理 物理化学 分子 计算机科学 有机化学 电化学 几何学 数学 电极 复合材料 嵌入式系统
作者
Long He,Tan Li,Hao Hu,Pengfei Xie,Jincheng Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 13391-13400 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c03645
摘要

Atomic Fe/Co–N–C materials represent one promising type of noble-metal-free oxygen reduction reaction (ORR) catalyst for metal–air batteries and fuel cells, but their inherent features of complex and indistinct active sites derived from high-temperature treatment impede further development in terms of high-performance catalyst design. Herein, molecular model catalysts with defined active sites are developed to understand the structure–performance relationship. Specifically, cobalt phthalocyanine and cobalt porphyrin with identical Co–N4 moieties but completely different three-shell coordination structure are respectively anchored on reduced graphene oxide to synthesize molecular catalysts of CoPc@rGO and CoPr@rGO by π–π coupling interactions. Experimental results show that CoPc@rGO with three-shell N-modified Co–N4 sites holds a fairly good ORR activity, which is more than 3 times that for CoPr@rGO (7.36 vs 2.34 e–1 site–1 s–1 at 0.85 V). Density functional theory calculations reveal that three-shell N can modulate the electron structure of the Co–N4 site and reduce the ORR energy barrier. Furthermore, when used in a Zn–O2 battery, CoPc@rGO also exhibits an ultrahigh peak power density of 425 mW cm–2. This study offers molecular model catalysts to reveal the structure–performance relationships of Co–N–C and beyond.
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