Isolated single-atom Fe-N4O1 catalytic site from a pre-oxidation strategy for efficient oxygen reduction reaction

过电位 催化作用 阴极 Atom(片上系统) 氧气 化学 金属 密度泛函理论 协调数 计算化学 物理化学 计算机科学 有机化学 电化学 离子 嵌入式系统 电极 生物化学
作者
Enze Zhu,Chenghong Sun,Chaoyang Shi,Jie Yu,Xikun Yang,Mingli Xu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:463: 142468-142468 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.142468
摘要

Single-atom catalysts have recently emerged as a promising replacement for noble metal catalysts in the oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode side of fuel cells and metal-air batteries. However, regulating the precise coordination environment of central atoms remains challenging. In particular, constructing co-coordination active site with N and O atom is rarely investigated. Here, an unreported pre-oxidation strategy is proposed to establish the Fe-O bond for the synthesis of the Fe-N4O1 single-atom structure. The obtained SA-FeN4O1-C catalyst exhibits remarkable ORR performance, possessing a half-wave potential 30 mV higher than that of the commercial Pt/C and a kinetic current density 7.4 times that of Pt/C at 0.8 V (vs. RHE). More significantly, when employed as an air cathode, the overpotential is 340 mV lower than that of Pt/C when operating at a high current density of 350 mA cm−2 in a GDE half-cell, and a maximum power density of 205.8 mW cm−2 and a high energy density of 1024.9 w h kg−1 can be achieved in a zinc-air battery. According to the DFT, axial oxygen coordination can lower the energy barrier for ORR by driving the d-band center of the Fe atom to shift away from the Fermi level and generate a moderate oxygen adsorption energy. Importantly, the essence of the formation of the Fe-N4O1 structure and single-atomic active sites was revealed. This work opens up an innovative strategy for constructing single-atom sites with axial oxygen coordination and provides valuable insight into the synthesis of atomically dispersed materials.
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